孤子最早是由英國科學家、造船工程師羅素在1834年觀察運河水道里的水流的時候觀察到的，在之后的演講報告中，羅素這樣描述那天他所觀察到的現(xiàn)象：“當時，我正在觀看沿著狹窄水道由兩匹馬牽引向前的一只小船的運動。當小船驟然停止時，水道中為小船所推動的一大堆水卻并不停止，水積聚在船頭前面猛烈地激蕩著，然后水浪突然呈現(xiàn)出個很大的、孤立的凸起，那是一個滾圓而光滑、周界分明的水堆。他以巨大的速度向前滾動，而將小船留在它后面。這一水堆沿著水道繼續(xù)行進而且沒有明顯地改變其形狀或降低其速度。我騎馬緊跟，并追上了它，它仍保持其原來的大約30英尺長、1英尺至1英尺半的高度以大約每小時8或9英里的速度滾滾向前。這是我第一次有機會見到這樣一個獨一無二的現(xiàn)象?！?/p>

視頻：水波孤子演示

羅素所觀察到的就是孤子現(xiàn)象，它是由非線性引起的波的局域化傳播。上面的視頻中給出了水波孤子的演示。孤子普遍存在于我們的日常生活中，如在海洋中或河流中我們經(jīng)常能夠看到穩(wěn)定向前運動的水波波包，就是水波中的孤子。此外，孤子還普遍存在于晶格結(jié)構(gòu)、光纖、磁結(jié)構(gòu)、蛋白質(zhì)和核酸分子結(jié)構(gòu)中。近年來，人們在微納結(jié)構(gòu)特別是光學微腔中觀測到了耗散克爾（Kerr）光學孤子，并發(fā)現(xiàn)其在產(chǎn)生片上集成光頻梳以及通信等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，在微納結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生并應(yīng)用孤子效應(yīng)逐漸成為國際熱點。

盡管在微腔中的光孤子已為人們所廣泛關(guān)注，在微納結(jié)構(gòu)特別是微腔中觀測機械孤子即振動的局域化效應(yīng)并非易事，主要原因是微腔中機械運動的非線性過弱，不足以產(chǎn)生振動局域化效應(yīng)，而光機械效應(yīng)產(chǎn)生的強振動非線性為其提供了可能【圖1】。

圖1. 光引起的機械運動局域化示意圖

微腔中的光機械效應(yīng)是由于光被微腔局域于微納尺度中引起的微腔的機械振動，其在引力波探測、高精度計量、量子計算與量子通信等重要研究領(lǐng)域都有直接應(yīng)用。光機械效應(yīng)使得微腔中光與機械振動二者之間產(chǎn)生強耦合作用，這種強耦合作用會引起機械運動的非線性行為，從而導致機械運動局域化。

近年來，回音壁模式(Whispering Gallery Mode，簡稱WGM)光學微腔以其優(yōu)越的品質(zhì)因子成為探索光機械現(xiàn)象的理想平臺。光機械效應(yīng)在近年來越來越被人們所重視。事實上，固態(tài)芯片上的光機械系統(tǒng)是近年來量子信息處理領(lǐng)域乃至基礎(chǔ)物理研究領(lǐng)域備受人們關(guān)注的方向。同時，納米機械（或稱機械諧振器）一直被認為是研究量子到經(jīng)典的過渡、宏觀量子現(xiàn)象、量子控制等一系列基礎(chǔ)問題的理想對象。在應(yīng)用方面，機械振子可作為高精度位移和微小質(zhì)量探測等諸多精密儀器的載體。如果機械振子呈現(xiàn)量子性，那么就可用它作為數(shù)據(jù)總線（Data bus）實現(xiàn)不同量子系統(tǒng)之間的糾纏和量子信息處理，作為傳感器或量子開關(guān)連接具有不同頻率的量子體系從而構(gòu)成復雜的量子網(wǎng)絡(luò)等。

由于光機械系統(tǒng)可用于精密測量和量子信息等諸多領(lǐng)域，因此近年來對其研究進展迅速，特別是近年來引力波在光機械系統(tǒng)中的發(fā)現(xiàn)，在時隔百年之后為愛因斯坦的廣義相對論提供了確鑿的證據(jù)，相信這會推動光機械效應(yīng)研究的又一次熱潮。微型環(huán)芯腔系統(tǒng)作為光機械效應(yīng)的載體，具有尺度小，易控制等特點。且由于微型環(huán)芯腔位于硅芯片上，因此便于與超導器件等芯片上的器件加以集成以構(gòu)成更復雜的混合器件。此外，微型環(huán)芯腔系統(tǒng)作為納米機械振子具有從低頻（約幾兆赫茲）到高頻（百兆赫茲）不同頻段的振動模式，且便于從光腔輸出譜中提取振動信息，因此是很好的光機械效應(yīng)的物理載體。

Nature雜志今日在線報道了由圣路易斯華盛頓大學、清華大學、紐約城市大學等研究單位組成的研究團隊在實驗中采用微型環(huán)芯腔作為物理載體觀測到了這種光機械效應(yīng)引起的機械運動局域化現(xiàn)象。微型環(huán)芯腔可以看做一個用硅柱子頂起來的玻璃圓盤。這一柱子頂起來的玻璃圓盤可以沿盤面徑向振動，而光場分布在玻璃圓盤的外邊緣。當位于玻璃圓盤外邊緣的光場足夠強之后，光場會激起玻璃圓盤的振動，這一振動會沿玻璃圓盤盤面從外邊緣向圓盤中心傳播【圖2a】。當振動傳播到玻璃圓盤中心時，由于圓盤中心用于支撐的硅柱的阻礙，振動的機械波會被反彈回來，反向從圓盤中心向圓盤外邊緣傳播【圖2b】。當激發(fā)振動的光場很強時，圖2a中的正向傳播的機械波和圖2b中的反向傳播的機械波無法形成穩(wěn)定的駐波場，機械運動無法形成穩(wěn)定的駐波場，而是在圓盤外邊緣與圓盤中心間往復運動。機械波每次到達圓盤外邊緣都會受到圓盤外邊緣光場的調(diào)制。機械波的傳播過程可以用圖2c，其中藍色代表正向傳播的機械波，粉色代表反向傳播的機械波。由于機械波在傳播過程中收到周期的調(diào)制，因此會產(chǎn)生機械波的色散，這類似于圖2d中機械波穿過周期調(diào)制的晶格所產(chǎn)生的色散效應(yīng)。機械波的色散效應(yīng)會使得波包擴散，而光機械引起的非線性使得波包局域化，兩者平衡形成穩(wěn)定形狀的波包。相比于傳統(tǒng)的的連續(xù)波光機械現(xiàn)象，這種特殊的機械孤子具有在時域局域化和寬譜的特征，從而大大增強了基于光機械增益的一系列應(yīng)用的適用范圍。

圖2. 光機械微腔中機械波傳播的機理。a, 正向傳播的機械波在微型環(huán)芯腔外邊緣被光場激發(fā)后由外向內(nèi)向盤子中心傳播；b, 反向傳播的機械波在盤子中心被反彈后，由內(nèi)向外向盤子外邊緣傳播；c, 機械波多次反射后色散效應(yīng)與非線性效應(yīng)平衡形成穩(wěn)定的波包；d, 等價的機械波通過周期晶格結(jié)構(gòu)調(diào)制的傳播過程；e, 光機械孤子的外包絡(luò)示意圖。

研究團隊進一步將所觀測到的光機械孤子用于原子力顯微鏡針尖低頻振動探測【圖3】。實驗中微型環(huán)芯腔的本征振動頻率約17兆赫茲，而原子力顯微鏡針尖本征振動頻率約384千赫茲。二者巨大的頻率失諧，使得微型環(huán)芯腔做周期振動的時候，無法響應(yīng)原子力顯微鏡針尖的低頻振動。而當微型環(huán)芯腔進入孤子區(qū)的時候，由于微型環(huán)芯腔機械運動時域上出現(xiàn)局域化效應(yīng)，對應(yīng)于頻域上振動的頻率響應(yīng)實現(xiàn)了增寬，增寬的頻率響應(yīng)特性使得微型環(huán)芯腔對針尖的低頻振動可以實現(xiàn)高效的響應(yīng)，實驗中觀測到了在孤子區(qū)測量精度的極大提高。

圖3. 光機械孤子用于原子力顯微鏡針尖低頻振動探測實驗示意圖

該項工作由美國圣路易斯華盛頓大學、清華大學、美國紐約城市大學、中科院沈陽自動化研究所合作完成，相關(guān)成果以“Optomechanical dissipative solitons” 為題發(fā)表在2021年12月2號的Nature雜志上 。該文章的通訊作者為圣路易斯華盛頓大學電子和系統(tǒng)工程系楊蘭教授，第一作者是來自清華大學訪問學者張靖博士。這一工作為光機械微腔應(yīng)用于量子信息、保密光通信、精密傳感等眾多領(lǐng)域開辟了一條新的路徑。

作者簡介：

張靖是清華大學長聘系列副教授，博士生導師，長期從事量子與微納系統(tǒng)控制理論，及微納光子學實驗研究。在相關(guān)方向發(fā)表論文60余篇 。關(guān)于光機械系統(tǒng)中混沌傳遞與隨機共振的工作被Nature Photonics選為2016年6月刊的封面熱點論文，并入選“2016中國光學重要成果”。作為第一作者的工作獲得國際自動控制聯(lián)合會(IFAC)青年作者獎，該獎項每三年僅評出一篇獲獎?wù)撐?，這是我國高校系統(tǒng)學者第一次獲此獎項。2012年，入選清華大學基礎(chǔ)學科青年人才支持計劃（221計劃）。2016年得到國家自然科學基金優(yōu)秀青年基金支持。2017年入選教育部青年長江學者。

楊蘭教授是美國圣路易斯華盛頓大學電子和系統(tǒng)工程系Edwin H. & Florence G. Skinner 教授，現(xiàn)任Photonics Research主編，光學學會 （Optical Society of America），美國物理學會 (American Physical Society)，以及電氣與電子工程師協(xié)會（Institute of Electrical and Electronics Engineers）會士，本科畢業(yè)于中國科學技術(shù)大學，曾獲得美國自然科學基金會CAREER獎、美國總統(tǒng)青年科學家獎。其帶領(lǐng)的微納光子學實驗室近年來在微納粒子探測、非厄米光學、光機械等領(lǐng)域取得了一系列重要進展，有關(guān)成果發(fā)表在《自然》，《科學》，《自然-光子學》，《自然-物理學》，《自然-納米科技》，《自然通訊》，《美國國家科學院院刊》等期刊。