光，有着无数的色彩，是自然界的奇迹之一。然而，人类所看到的只是光的一小部分，要真正理解我们所看到的，就必须了解颜色背后的物理意义。通过频率梳的光学规则，科学家们理解这些含义，而频率梳的首次实现获得了2005年的诺贝尔物理学奖。

 

图1 蛇形光子态过程的光子微柱。^[1]

 

光学尺不仅用于测量颜色，而且还用于测量时间、距离和其它物质大小，因此它们在科学和技术应用中具有重要意义，是让我们进入光的领域并揭示其最深层秘密的工具。

 

近日，巴伦西亚理工大学（Universitat Politècnica de València，UPV）和光子科学研究所（Institute of Photonic Sciences，ICFO）合作对光学尺进行研究，他们发现了“光子蛇状态”，能够解开光的秘密，以上研究成果已发表在期刊《Nature Communications》。

 

这项研究引起了国际科学界的注意，并在频率梳的形成方面开辟了前所未有的前景: 它预测了二维光学规则的存在，这种规则比迄今为止使用的一维光学规则更为复杂，并在广泛的应用中提供了前所未有的多功能性。

 

通信、光谱学或计算机领域的应用

频率梳具有广泛的应用，特别是在通信领域。该团队称，这些梳子通过光纤传输可以有效传输大量的信息，因为通过定义明确的频率，多个光信号可以同时发送，并且在接收时很容易分离。

 

频率梳被证明非常有用的另一个领域是光谱学。以前所未有的精确度和分辨率获得光谱的能力使得识别不同物质变得更加容易。这在化学、生物学和医学等领域有着直接的应用，在这些领域，准确检测分子和材料角色塑造至关重要。

 

在计量学，测量科学的情况下，这些结构被用来作为一个参考，以确定标准，由于他们的能力，产生稳定和已知的频率。这样就可以精确测量与大多数科学领域相关的基本量，如时间或长度。

 

最后，频率梳还在量子计算中发现了有希望的应用，光粒子(或光子)在其中扮演着关键角色。特别是，频率梳可以用来产生具有特定性质的单个光子，这对于这些技术的发展是至关重要的。

 

光学规则的未来

为了在这些提议中获得成功，必须分析的一个基本问题是在试图构建这些光学规则时出现的不稳定性，这阻碍了多种光形式的产生。正如 UPV 的 IUMPA 的研究员和这项工作的合著者 Pedro Fernández de Córdoba 教授所指出的：“应该注意的是，我们的团队已经从理论的角度获得了光结构稳定的条件，找到了我们称之为光子蛇的锯齿形结构，而这些光态的稳定性是未来应用的一个关键方面。”

 

此外，该团队有可能创建一个可及，同步的二维光学规则，该发现提供了一个由单个设备产生并由单个激光光源控制的大量规则集合。正如Carles Milian教授所说：“这一突破的潜在影响是非常大的，它可以促进宽带、可重构的单片多梳设备的发展。这些设备将根据需要提供不同的实时频率梳，极大地扩展了现有的应用。”

 

最后，这项研究是基于严格和非常完整的理论模型，考虑了所有已知的可能，形成二维频率梳，并已经使用强大的理论和数值工具进行数值模拟。事实上，正如 UPV 应用数学系主任 J. Alberto Conejero 教授等作者所说：“这项研究已经建立了一个非常精确的模型，包括所有可能影响这些结构形成的现象。它将作为未来实验的指南，提前知道可以产生稳定的光蛇的实验参数将产生经济影响。”

 

这一发现标志着这些结构物理学上的一个里程碑，并为“先进光学设备令人兴奋的未来”铺平了道路，Salim B. Ivars（加泰罗尼亚理工大学）、Yaroslav V. Kartashov和Lluis Torner（ICFO）也对这项工作做出了贡献。Lluis Torner称：“这个重要的发现之所以引人注目，是因为它出人意料、令人惊讶，而且得益于Millian教授的直觉和领导才能，我们实现了它。”

 

UPV，UPC 和 ICFO 团队说，这一发现将进一步激发该领域的研究，并导致革命性的新应用和技术。他们总结道: “由于这些进步，我们离揭开光的奥秘、充分利用光的潜力造福于我们的社会又近了一步。”

 

新闻链接：

https://phys.org/news/2023-07-photonic-snake-states-instrument-unveiling.html