a, 实验实施的示意图，包括一个相干驱动的光学环形共振器，具有Kerr型非线性，包含一个电光相位调制器（EOM），实现不同腔体模式之间的耦合。电光相位调制器在谐振器模式之间产生跳变，这些模式被腔体自由频谱范围（FSR）的整数所分隔，从而在合成（频率）空间产生一个紧密结合的网格。一个掺铒光纤放大器（EDF）也被插入到腔体中，以补偿由EOM引起的损失。b，在非线性系统中，在谐振器内产生了一个时间性的CS。该孤子与一个广泛的相干光频率梳有关，从而扩展了具有许多等距站点的合成频率格子的大小。c-e，通过使腔内EOM的频率与腔内FSR的整数倍失谐，可以沿合成频率维度引入一个恒定的力F，从而迫使CS沿合成晶格进行传输；随着有效力F的增加，孤子的传输从同步化变为理想的Bloch振荡。资料来源：Nicolas Englebert等，Bloch Oscillations of Driven Dissipative Solitons in a Synthetic Dimension，arXiv（2021）。DOI: 10.48550/arxiv.2112.10756

来自ULB两个实验室的研究人员利用一个光纤环实现了一个光的合成维度。这个巧妙的系统模拟了晶体中粒子的周期性运动，以研究其在相互作用和耗散情况下的行为。通过创造一个孤子，研究人员证明了永久振荡的存在，尽管有耗散的不利影响。这一发现允许研究和模拟受固态物理学启发的复杂现象，这些现象在自然环境中很难获得。

周期性结构的形成，如光学晶格，有助于研究固态物理学、凝聚态物质和光子学等方面的各种复杂现象。特别是，通过实现 "合成维度"，将这些系统扩展到其自然几何维度之外，是一个不断增长的研究领域。

这样的合成空间可以通过利用系统的离散自由度来实现，该自由度与耦合机制相关，模仿粒子在晶格内的运动。在光子学中创建合成维度的一种原始方式是通过一个光学谐振器在频域（光的波长）中实现它。腔体往返时间所强加的周期性作为一个光学规则。然后我们可以通过使用腔内相位调制器耦合这些频率模式来形成人工晶格。

由此产生的合成维度与一维晶体形成的维度非常相似，其中原子被耦合到其最近的邻居。因此，我们期望观察到来自固体物理学的现象。其中，合成维度已经被用来观察布洛赫振荡--当受到一个恒定的力时，被限制在一个周期性电位中的粒子所描述的运动。这种现象--值得获得1952年诺贝尔物理学奖--已知当系统是耗散的或存在相互作用时就会消失。事实上，它们在固体中并没有被观察到。

在这种情况下，来自ULB的两个实验室、卡诺-勃艮第跨学科实验室（第戎）和奥克兰大学（新西兰）的研究人员实现了一个具有耗散、分散和非线性的合成维度，以研究这些振荡的命运。由于该系统的非线性，研究人员能够形成一个被称为 "空腔孤子 "的奇特的光脉冲，并在耗散的情况下观察到永久性的布洛赫振荡。

除了是该框架内布洛赫振荡的首次实验证明外，由于形成了一个频率梳，空腔孤子的内在特性使得其合成维度的扩展远远超过了以前的实现，并凭借其超短的时间长度探测到了倒数空间。

这一发现对于研究和模拟凝聚态物理学中难以在自然环境中研究的复杂现象有着巨大的潜力。这些结果也为新的应用铺平了道路，特别是在拓扑光子学和光频梳的产生方面。

这项工作发表在《自然-物理》杂志上。

参考资料

Nicolas Englebert et al, Bloch oscillations of coherently driven dissipative solitons in a synthetic dimension,Nature Physics(2023).DOI: 10.1038/s41567-023-02005-7. OnarXiv:arxiv.org/abs/2112.10756

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