导读

近日，俄罗斯圣彼得堡国立大学、德国汉诺威大学、马克思·波恩研究所等机构合作通过数值模拟的方式，证明了强场区下的少周期脉冲，在完全均匀的介质条件下，会由于自相互作用而出现减速甚至改变方向的传播特性，并同时能量从光向物质，再由物质传向光的循环。

该研究与传统开发新型材料将光减速的研究思路不同，更加注重光束自身非线性动力学的作用效果，具有较强的研究价值，该工作以“Self-stopping of Light”为题发表在Physical Review Letters上。

01、研究背景

孔夫子曾在游历山川后，留下“逝者如斯夫，不舍昼夜”的感慨。时间具有单向性，去而不返，这个最浅显的认识贯穿于人类文明的发展过程中。

随着对世界的认知逐步走向深刻，时间悄无声息地与人类感知世界所借助的另一件利器——光，建立起密不可分的联系，仅从“时光”这个词，就能看出二者之间的渊源。

爱因斯坦曾提出：“当物体以光速进行运动时，时间就会趋于停滞”的概念，这是因为当物体以光速进行运动时，相对于光来说保持相对静止的状态，导致时间在同一方向上相对停滞。那些能使时光被扭转的时光机器，也成为影视作品中绮丽的幻想，成为一代人永远无法忘却的经典。

图1 “月光宝盒”（图源：《大话西游》）

图2 动画作品中“时光机”的形象（图源：《哆啦A梦》电影版）

在真实的科学研究中，让光减速也并非无法实现的幻想。上个世纪末，哈佛大学的物理学家就利用冷原子云将光减速至每秒前进17 m（图3）。

而德国的物理学家也发明了一种被称为电磁感应透明效应(EIT)的作用方式，该作用方式通过将干涉作用应用于三能级的系统中，实现了类似带通滤波器的作用，将某个波段的光波完全“透明”化，而在该波段两侧的范围上引入巨大的色散参量影响，将光的群速度减缓，直观表现为光发生了“停滞”，而其后也能通过对EIT效应的减弱将光束“释放”。光脉冲的传输速率下降，为光通信系统中调制器和解调器赢得了宝贵的工作时间，数据处理模块可以更加游刃有余地处理光脉冲中蕴含的信息，这一点对于由光子主导的计算和通信技术而言，具有十分深刻且实际的作用。

图3 哈佛大学的物理学家利用冷原子云将光减速至每秒前进17 m（来源：Nature）

图4 光被德国科学家困在晶体中的1 min（图源：Science Time）

图5 中国科学技术大学光储存原理示意图[来源：Nat Commun 12, 2381 (2021).]

无论是哪一种方式，光的减速都离不开其与物质的相互作用。EIT技术认为：光与物质的相互作用会产生“饰缀态光子(dressed photons) ”，饰缀态光子与传统的光子不同，具有一定的质量，在一定的参考系下可能以相对静止的状态存在；具体而言，极化波包络的群速度会在介质共振频率附近经人调控而达到无限接近于零的目标。

与EIT技术对应，还有一种被称为自诱导透明(SIT)的技术，该技术本质上讲描述了一个孤子的运动状态：由于原子在脉冲传播周期内产生了完整的拉比振荡，因此当脉冲与物质发生作用时，脉冲所携带的能量会先传递至原子，再由原子返回脉冲；从宏观角度来看，这个过程中不存在能量的损失，脉冲也并没有发生畸变，这个状态就充分满足了孤子的定义条件。

虽然EIT和SIT技术都可以从一定程度上降低光在介质中的传播速度，但二者也存在一定的缺陷。比方说SIT就无法有效地对短脉冲的速度实现减弱，对于许多“人造原子群”，例如超导比特群而言，这种减速方案就显得有些不合时宜。需要明确的是，在共振介质中，少周期强场脉冲会经历十分复杂的非线性动力学过程，这个过程中存在很多值得思考的因素。

02、研究亮点

俄罗斯的科学家Arkhipov及Rosanov等人在近期的研究中，向我们展示了在完全均匀的介质中，光脉冲不依靠EIT和SIT技术实现减速的可能性。该研究的亮点在于论证了具有不同波长、脉宽、单脉冲能量的激光脉冲在介质中传输时出现停滞状态的可能性，具有较强的普适性。

该研究指出，光脉冲在非线性介质中传播时，可能会因与自身发生相互作用，而在一个相对缓慢的演化过程中走向停滞，这个过程被称为“自停止(self-stopped)”。

上文所提到的演化过程是通过一种新型局域结构的形成来实现的，在这种新型结构之中，光与物质能够在少周期的时间尺度上发生能量的交换；而这种结构自身也可以光速进行移动，决定其速度的因素仅仅只是结构内部的状态。

首先，研究人员利用非线性波动方程，详细地描述了光在二能级共振介质中的传播状态。由于没有使用慢变包络近似或旋转波近似的简化方法，该方程使任意波形的建模成为了可能（例如SIT情况也被包括于其中）。该模拟假设输入介质的激光波长为700 nm，脉冲宽度为2.33 fs，其余参数均按特定条件设置。最终的结果如图6所示：当强脉冲输入介质后，会立即形成一个振荡结构，光在传输了8个波长的距离后完全停滞。

图6 光脉冲自停止现象的演化过程。(a)~(b)波束演化图样；(c)单脉冲能量演化；(d)光子分布；(e)频谱的演化

该动力学的演化可分三个步骤进行：1）在激光进入介质后的前18 fs中，快速振荡形成；2）在18~45 fs的时间段内，激光单脉冲的能量演化趋于平稳；3）单脉冲能量开始随时间下降，大致在100 fs的时间节点上消逝不见。

为了说明这个演化行为不存在SIT孤子运动的相关特征，研究人员进一步模拟了两个脉冲的碰撞动作，如图7(a)~(c)所示，当两个脉冲碰撞后，并没有出现无能量交换的孤子运动，模拟出的结果显示一个全新的“大脉冲”因碰撞而形成。值得一提的是，为了对比SIT，研究人员做了对照模拟，如图7(d)~(e)所示。最终结果显示光与物质作用形成的振荡结构(LMO)在两种机制下有着不同的表现。

图7 LMO的进一步模拟：两个脉冲的碰撞。(a)~(c)自停止效应的波束演化图样；(c)~(d)SIT对照组；(e)SIT孤子的场变化

紧接着，研究人员研究了系统能量的变化过程，如图5(a)所示。此外，研究人员发现脉冲质心(CM)的演化恰好会与LMO结构的传播过程发生重合，如图8(b)所示。也就是说，光子在进入介质后，会与LMO结构以相同的速度运动，此时二者的相对速度为0。从某种程度上来说，通过LMO结构的调整（例如改变介质各项物理参数），光的运动速度乃至运动方向都能完全地被调控。

图8 (a)系统能量的演化 (b)CM与LMO演化过程发生重合

03、总结与展望

该研究采取数值模拟的方式，论证了光在自停止效应下趋于停滞运动模型的存在，向我们展示了一种与EIT和SIT技术不同的光子减速方式，研究切入角度新奇，论证严谨详细，为光子在均匀介质中的非线性动力学研究提供了范本。

虽然未来与过去被人类真正意义上完全掌控还很遥远，但是人类仍有可以把握的时光。

比如，这一秒。

品尝喜爱的美食吧，致电给想念的人吧，再试试留有遗憾的课题吧，现在就出发吧，为这一生再难拥有的青春。

文章来源：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.203901