2023年6月30日，《激光与光子学评论》（Laser & Photonics Reviews）在线发表了“强场超快光学”创新研究群体在光子合成维度广义动态局域和定向输运方面取得的最新研究成果，文章标题为《Observation of generalized dynamic localizations in arbitrary-wave driven synthetic temporal lattices》。
在交变电场作用下，当取到平均能带坍缩点时，离散晶格中带电粒子的输运会受到抑制，这种现象被称为动态局域。近年来，对动态局域的研究已经被拓展到光学领域。光子作为中性粒子，不能与真实的电场发生相互作用。人们通过在光子晶格引入光子 Aharonov-Bohm(AB) 相位从而构造等效标势和矢势；再根据这两种规范势与电场之间的关系，使等效标势随空间梯度变化或令等效矢势随时间变化时，可在光子晶格中引入等效电场。例如，采用弯曲波导阵列可以产生时变矢势进而产生等效电场，且产生的电场幅度与波导弯曲曲率成正比。目前，通过设计正弦变化的弯曲波导阵列，人们已经在实验上实现了最简单的正弦驱动电场下的光子动态局域效应。然而，由于受到波导自身弯曲损耗的限制，难以简单通过改变波导的弯曲形式实现任意波形驱动下的广义动态局域效应；与此同时，广义动态局域的存在条件和对驱动波形对称性的要求也有待进一步系统研究和验证。
图1. (a)-(b)时域光子晶格及等效电场示意图。(c)-(d)三角波电场下的平均能带和动态局域。(e)锯齿波电场下波包演化图。
最近，超快光学实验室基于长度略有差异的双光纤环路构造了合成时域光子晶格，如图1(a)所示，并通过环路中的相位调制在晶格中构造了任意驱动形式的等效电场，从而为研究了广义动态局域提供了条件。研究团队首先通过能带分析得到广义动态局域产生的条件：即要求等效电场波形在一个驱动周期下具有镜像对称性(偶函数)。如图1(b)所示，这里选取了几个典型的交变电场，如三角波、矩形波和锯齿波。实验发现：当施加的交变电场波形为偶函数如三角波或矩形波时，时域晶格的平均能带存在塌缩点，如图1(c)所示。当选取塌缩点电场幅度时，入射波包在一个交变电场周期后复现，即实现了动态局域，如图1(d)所示。当选取非塌缩点电场幅度时，波包在一个交变电场周期后会发生移动，即产生了定向输运。当选取的电场波形为奇函数如锯齿波时，晶格平均能带不能发生塌缩，即使波包回到了初始位置，也会发生展宽，不能实现动态局域，如图1(e)所示。该研究不仅为验证极端驱动条件下的晶格离散动力学效应提供了平台，也为光脉冲调控提供了新途径，在光纤通信和量子模拟方面具有重要应用前景。
物理学院博士生叶汉和武汉光电国家研究中心博士后王书林为该工作的共同第一作者，物理学院青年教师秦承志副教授为论文的通讯作者，这项工作还得到了王兵教授和陆培祥教授的指导。该项研究得到了国家自然科学基金青年基金、面上项目和创新研究群体项目的资助。
论文链接: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/lpor.202200505
