西安光机所光场非线性调控与量子非线性物理前沿理论研究取得系列进展
来源：【中国科学院】
非线性科学是自二十世纪六十年代以来，在以非线性为特征的各分支学科的基础上逐步发展起来的综合性学科，其中1960年激光的发明和应用促进了非线性光学的诞生和长足发展。二十一世纪以来，非线性科学的研究呈现出明显的跨学科交叉性等特点，例如超冷原子分子非线性现象的研究就涉及原子分子与凝聚态物理、数学、化学、统计力学、流体力学、机器学习等，并与各种精密测量实验方法和操控技术（如光场调控技术）紧密结合。随着第二次量子革命的兴起和发展，新型量子技术可观测和操控量子物质（如原子分子、电子和光子）中的非线性行为，推动了量子非线性科学、极端非线性光学和非线性物理的蓬勃发展。近年来，光场的非线性调控及光在非线性介质中的传输和应用吸引了诸多基础和应用基础研究人员的关注，成为非线性光学领域的前沿重点方向。
中国科学院西安光学精密机械研究所瞬态光学与光子技术国家重点实验室副研究员曾健华团队长期从事非线性物理基础理论研究，近期在量子多体物理与光场非线性调控前沿理论方面取得三项研究进展，其中，两篇论文以One-dimensional purely Lee-Huang-Yang fluids dominated by quantum fluctuations in two-component Bose-Einstein condensates和Overcoming the snaking instability and nucleation of dark solitons in nonlinear Kerr media by spatially inhomogeneous defocusing nonlinearity为题发表在《混沌、孤子与分形》（Chaos, Solitons & Fractals）上，另一项研究成果以Nonlinear localized modes in one-dimensional nanoscale dark-state optical lattices为题发表在《纳米光子学》（Nanophotonics）上。
“李黄杨修正项”（Lee-Huang-Yang correction）是指物理学家杨振宁与合作者于上世纪五十年代将赝势法和双碰撞方法用于稀薄玻色子多体系统相互作用研究中得到的基态能量修正项，它用来描述超冷原子的量子涨落现象，在冷原子动力学本征方程中, 量子涨落效应对应于微弱的“李黄杨修正项”，当将所有原子产生的量子涨落作用力相加，原子之间的吸引力就会强于排斥力，从而使原子相互制约和聚集，并形成量子液滴。由于量子涨落极其微弱，因此形成的量子液滴就成了最稀薄的液体，比水还稀薄一亿倍。2021年，曾健华团队将费希巴赫共振技术应用到一维量子液滴的非线性调控中，从理论上研究了类孤子形状的小液滴、由几个孤子组成的中液滴和具有平顶形状的大量子液滴的形成和稳定情况，发现量子液滴的稳定区域得到了极大扩展。2018年，丹麦奥胡斯大学联合研究团队的理论预测发现，在两组分超冷玻色原子系统中，选择合适的原子密度和相互作用强度使得组分内吸引力和组分间排斥力相互抵消，存在一种完全由“李黄杨修正项”描述的三维稀薄液体，并冠之以“李黄杨流体”；该研究团队于2021年在实验上观测到了这一崭新的物质形态。然而关于低维纯“李黄杨流体”的理论模型仍然亟待建立，其动力学行为的研究和调控是量子非线性物理的重要前沿课题。
为此，曾健华团队从第一性原理出发，在一维量子液滴的工作基础上，推导了描述一维纯“李黄杨流体”的非线性动力学模型，通过解析解找到了基态模，结合直接数值模拟和线性稳定性分析两种理论方法，研究了其动力学行为，找到了其在相应物理量中的稳定区域。同时，考虑在引入谐振子势的情况下，通过变分近似方法和数值方法，研究人员研究了“李黄杨流体”基模的非线性演化特性和稳定情况，从数学计算上研判了“李黄杨流体”高阶模式的稳定区域。此外，他们还研究了两个“李黄杨流体”之间的结合和准弹性碰撞动力学，揭示了丰富、有趣和深奥的低温碰撞物理学【Chaos, Solitons & Fractals160, 112240 (2022)】。
玻色-爱因斯坦凝聚体为在单粒子模型和量子多体模型中研究各种非线性物质波结构（比如物质波亮和暗孤子、带隙和矢量孤子、涡旋以及相应的物质波局域模）提供了一个干净、可控、多自由度调节的物理平台。其中物质波暗孤子的特性研究有待深入。在超冷原子实验中，通过使用相位刻印技术、密度操纵、干涉技术和激光微扰方法引入密度缺陷，科学家成功观测到了物质波暗孤子。曾健华团队此前将光晶格非线性调控技术应用于超冷原子系统中，从理论上研究了在低密度、高密度和同时具有两体-三体相互作用的玻色-爱因斯坦凝聚体中物质波暗带隙孤子的产生和操控。然而，在高维物理系统中，暗孤子存在横向调制不稳定性（蛇形不稳定性），携带旋量（涡度，拓扑荷）的暗涡旋和涡环将发生成核（涌现多个小涡旋）现象。为了克服这些问题，过往的应对方法是引入线性势垒。
