【光学前沿】纯四次孤子分子中的多平衡态研究取得新进展

    光孤子作为一种具有不变传播性质的类粒子实体，在非线性科学领域占据着极为重要的地位。长期以来，时间孤子的研究主要聚焦于二阶色散主导的范畴，高阶色散则常被忽略或视为扰动因素。然而，近年来，科研人员发现了一种新型脉冲——pure-quarticsolitons（纯四次孤子），它由自相位调制与纯偶数高阶色散效应之间的平衡所产生，展现出独特的能量宽度标度关系，极大地拓宽了人们对时间孤子定义、分类及实用性的认知。

    孤子分子作为有界的多脉冲结构，因其在提高光通信传输容量方面所蕴含的巨大潜力，成为激光物理学领域的热门课题。其内部动力学行为源自组成孤子间的非线性相互作用。纯四次孤子的振荡尾部能够在分离良好的脉冲之间建立势垒，阻止它们聚结，为形成孤子结合结构提供了新的潜在机制。

    在这一背景下，Deng等人深入研究了纯四次孤子双重态和三重态中的平衡态情况。研究人员通过理论分析，成功预测并识别了稳定态和不稳定态之间交替的离散平衡分离序列，并构建了控制多个四次孤子分子的纯四次孤子模型框架。该框架能够实现对固定纯四次孤子分子层次结构的理解，允许按需混合相邻纯四次孤子之间的任意阶平衡分离和相对相。

    在研究方法上，当四阶色散β4占主导地位而二阶色散消失时，脉冲轮廓A(z,t)随距离z和时间t的演化可用广义非线性薛定谔方程来描述。研究人员求解了该方程的稳态单脉冲解，得到了纯四次孤子的轮廓，并详细分析了其随参数变化的特性。基于孤子微扰的绝热理论，进一步研究了孤子分子内光学键的特性，推导出有效结合潜力，从而预测平衡位置。

    研究结果表明，在反相（相对相位φ=π）和同相（φ=0）情况下，纯四次孤子分子存在交替的稳定和不稳定平衡态。例如，在反相双峰中，初始分离小于4.5ps的轨迹在平衡点周围表现出小尺度振荡，形成稳定态，而靠近红色虚线的轨迹则发散，为不稳定平衡。同相情况下，平衡位置与反相相同，但稳定性相反。结合能随间距呈指数衰减，只有少数平衡具有物理意义。稳定平衡表现为对红线以上初始分离的吸引力，否则不稳定，且高阶态更容易受扰动影响。

    此外，研究人员还探讨了构成多个纯四次孤子的大分子的可能性。通过指定前一个纯四次孤子的相位和位置，后续纯四次孤子由同相或反相的平衡分离确定。以四个和五个纯四次孤子分子为例，验证了长链分子的稳定传播，表明通过这种方式构建的长链分子可以稳定存在。
    该研究不仅加深了人们对纯四次孤子之间相互作用及纯四次孤子分子内在动力学的基本理解，而且为操纵非线性光学中的光孤子化合物（如大分子、晶体等）提供了新途径，有望推动光通信等领域的发展。

    刘军副教授是该研究的主要人员之一，其来自深圳大学微纳光电子学研究院，长期致力于新型激光技术及光孤子动力学的研究。