科学家展现随机光场中涡旋导致相干性退化的机理

光山新闻网 林晓舟 2020-07-17 13:51:45
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科学家展现随机光场中涡旋导致相干性退化的机理  
 

中国科学院上海光学紧密机器研究所与普林斯顿大学相助,对具有差异相干长度随机相位光束经非线性流传后所形成的散斑场的统计性举办了尝试丈量,调查到跟着自由光涡旋的发生,散斑场的自关联函数从幂律衰减退化为指数衰减——这是二维系统Berezinskii-Kosterlitz-Thouless (BKT)相变的典范符号,该研究成就克日颁发于《自然—光子学》。

BKT相变理论是由Berezinskii、Kosterlitz和Thouless三位理论物理学家于1970代初成立的,后两人因此而获2016年诺贝尔物理学奖。该理论认为,在二维系统中,尽量热涨落阻碍了长程有序的形成,却可以支持涡旋的存在。在临界温度以下,顺时针旋转与逆时针旋转的涡旋是成对呈现的,也就是说,正负涡旋是绑定在一起的。这些涡旋对对系统只发生局部的影响,使系统的相干性呈幂律衰减。跟着温度的升高,系统的熵会增加,而熵与涡旋的能量都具有自然对数函数的形式,本来绑定在一起的正负涡旋对会解绑而成为自由涡旋,导致系统整体性的失序,其相干性退化为指数衰减。

据悉,人们迄今只在二维的囚禁量子系统,如超流体、超导体、冷原子等系统中调查过BKT相变。这次,上海光机所和普林斯顿大学的科学家首次在光子系统中调查到BKT相变。他们以光波的随机性来模仿二维系统的“温度”,以光波的空间流传来模仿二维系统的时间演化。对“温度”的节制可以通过对入射光波举办随机相位编码来实现:“温度”越高,系统越杂乱,随机相位的相干长度就越短。依次把这些相干长度差异的光束输入到一个施加电场的光折变晶体,并对晶体输出头的光场举办数字全息成像,可以重构出其相位漫衍,进而得到BKT相变的全部符号参数:包罗自由涡旋的数量与系统温度的量化函数干系、系统相干性的退化等等。

研究人员暗示,这项研究印证了非线性光学与凝结态物理、冷原子物理等学科之间有着某些配合的理论基本,展现了随机光场的相关性与涡旋动力学之间深刻而巨大的接洽,为进一步摸索非均衡态下的相干—涡旋动力学提供了一个新的基点。

相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41566-020-0636-7

 

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