2024年7月 3 日，《先进光子学》（Advanced Photonics）在线发表了陆培祥教授领导的“强场超快光学”创新研究群体在合成时域晶格超布洛赫振荡坍缩的实验观测方面取得的最新研究成果，文章标题为“Observing the collapse of super-Bloch oscillations in strong-driving photonic temporal lattices”。物理学院博士生胡馨元为论文第一作者，武汉光电国家研究中心博士后王书林为共同第一作者；物理学院青年教师秦承志副教授、意大利米兰理工大学Stefano Longhi教授、物理学院和武汉光电国家研究中心陆培祥教授、王兵教授为论文共同通讯作者。该项研究得到了国家自然科学基金面上项目、青年基金和创新研究群体等项目的资助。
经典波的传输和局域的相干调控一直是波动物理学研究中最基本的问题，其研究范畴涵盖了从固体晶格中的电子波到光波再到声波等不同经典波体系。其中，固体晶格中一个最基本且重要的相干输运现象是布洛赫振荡(Bloch oscillations, BOs)，指的是周期晶格中的布洛赫电子在直流电场驱动下呈现的周期性振荡运动。近年来，另一类振荡效应-超布洛赫振荡（super-Bloch oscillations , SBOs），作为布洛赫振荡效应的放大版本也开始受到人们的关注。SBOs指的是周期晶格中布洛赫电子在失谐的直流和交流驱动电场同时作用下的巨大振荡运动，呈现为比BOs大得多的振荡幅度和振荡周期。与BOs不同，SBOs的振荡幅度和周期还可以被交流电场幅度所调制-即交流驱动的重整化效应。特别地，当取特定交流电场幅值时，SBOs振荡幅度为零，称为振荡的坍缩效应。由于SBOs的巨大振荡周期，目前其实验观测仅仅局限于冷原子体系，但是由于受限于冷原子体系的有限交流电场大小，SBOs坍缩效应的实验观测目前尚未见报道。此外，目前所有关于SBOs的理论和实验研究都局限于最简单的正弦交流电场，更一般形式的交流驱动下的SBOs效应及其塌缩条件等问题，目前也尚未阐明。
图1. (a)耦合长-短双光纤环路示意图；(b)合成时域晶格示意图和SBOs的轨迹示意图；(c)不同驱动电场幅度下的晶格平均能带图，其中振荡坍缩对应的平均能带为平带(Ew = 3.8)。
在这项研究中，团队成员基于耦合光纤环路[图1(a)]构造等效时域光子晶格[图1(b)]，并通过引入失谐的直流和交流驱动电场，成功在强驱动条件下实现了SBOs，并观察到SBOs的塌缩效应，还将SBOs效应扩展到一般的交流电场驱动情形。具体地，利用人工合成的直流和交流电场的灵活可控性，研究人员观察到了特定交流驱动振幅下的SBOs振幅为零的情形[图2(a)]，从而实现了SBOs的坍塌效应。研究表明：对于正弦交流驱动，SBOs塌缩发生在交流电场的幅度频率比取一阶贝塞尔函数的零点，表现为振幅为零的振荡抑制效应；而当驱动幅度穿越塌缩点时，SBOs的初始振荡方向也会发生翻转。SBOs的坍缩还可以从振荡的傅里叶谱分析中得到。进一步，研究人员将正弦驱动推广到任意形状的交流电场驱动，得到了广义SBOs效应并观测到相应的振荡坍缩条件。最后，利用振荡方向翻转特性，研究人员还设计了可调谐时域光束路由器和分束器。这项研究在光通信、时域光场调控和光学信息处理方面均有着广泛应用前景。
图2. (a) SBOs振荡振幅与交流驱动振幅和频率失谐倒数的关系；(b) SBOs振荡周期和频率失谐倒数的关系；(c) SBOs的初始振荡相位与初始布洛赫动量的关系；(d)-(h)不同交流驱动幅值下测量的光场演变图。
论文链接为：https://www.researching.cn/articles/OJf9b0b0778f5f5537。
