孤子最早是由英國(guó)科學(xué)家、造船工程師羅素在1834年觀察運(yùn)河水道里的水流的時(shí)候觀察到的，在之后的演講報(bào)告中，羅素這樣描述那天他所觀察到的現(xiàn)象：“當(dāng)時(shí)，我正在觀看沿著狹窄水道由兩匹馬牽引向前的一只小船的運(yùn)動(dòng)。當(dāng)小船驟然停止時(shí)，水道中為小船所推動(dòng)的一大堆水卻并不停止，水積聚在船頭前面猛烈地激蕩著，然后水浪突然呈現(xiàn)出個(gè)很大的、孤立的凸起，那是一個(gè)滾圓而光滑、周界分明的水堆。他以巨大的速度向前滾動(dòng)，而將小船留在它后面。這一水堆沿著水道繼續(xù)行進(jìn)而且沒(méi)有明顯地改變其形狀或降低其速度。我騎馬緊跟，并追上了它，它仍保持其原來(lái)的大約30英尺長(zhǎng)、1英尺至1英尺半的高度以大約每小時(shí)8或9英里的速度滾滾向前。這是我第一次有機(jī)會(huì)見(jiàn)到這樣一個(gè)獨(dú)一無(wú)二的現(xiàn)象?！?/p>

視頻：水波孤子演示

羅素所觀察到的就是孤子現(xiàn)象，它是由非線性引起的波的局域化傳播。上面的視頻中給出了水波孤子的演示。孤子普遍存在于我們的日常生活中，如在海洋中或河流中我們經(jīng)常能夠看到穩(wěn)定向前運(yùn)動(dòng)的水波波包，就是水波中的孤子。此外，孤子還普遍存在于晶格結(jié)構(gòu)、光纖、磁結(jié)構(gòu)、蛋白質(zhì)和核酸分子結(jié)構(gòu)中。近年來(lái)，人們?cè)谖⒓{結(jié)構(gòu)特別是光學(xué)微腔中觀測(cè)到了耗散克爾（Kerr）光學(xué)孤子，并發(fā)現(xiàn)其在產(chǎn)生片上集成光頻梳以及通信等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，在微納結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生并應(yīng)用孤子效應(yīng)逐漸成為國(guó)際熱點(diǎn)。

盡管在微腔中的光孤子已為人們所廣泛關(guān)注，在微納結(jié)構(gòu)特別是微腔中觀測(cè)機(jī)械孤子即振動(dòng)的局域化效應(yīng)并非易事，主要原因是微腔中機(jī)械運(yùn)動(dòng)的非線性過(guò)弱，不足以產(chǎn)生振動(dòng)局域化效應(yīng)，而光機(jī)械效應(yīng)產(chǎn)生的強(qiáng)振動(dòng)非線性為其提供了可能【圖1】。

圖1. 光引起的機(jī)械運(yùn)動(dòng)局域化示意圖

微腔中的光機(jī)械效應(yīng)是由于光被微腔局域于微納尺度中引起的微腔的機(jī)械振動(dòng)，其在引力波探測(cè)、高精度計(jì)量、量子計(jì)算與量子通信等重要研究領(lǐng)域都有直接應(yīng)用。光機(jī)械效應(yīng)使得微腔中光與機(jī)械振動(dòng)二者之間產(chǎn)生強(qiáng)耦合作用，這種強(qiáng)耦合作用會(huì)引起機(jī)械運(yùn)動(dòng)的非線性行為，從而導(dǎo)致機(jī)械運(yùn)動(dòng)局域化。

近年來(lái)，回音壁模式(Whispering Gallery Mode，簡(jiǎn)稱WGM)光學(xué)微腔以其優(yōu)越的品質(zhì)因子成為探索光機(jī)械現(xiàn)象的理想平臺(tái)。光機(jī)械效應(yīng)在近年來(lái)越來(lái)越被人們所重視。事實(shí)上，固態(tài)芯片上的光機(jī)械系統(tǒng)是近年來(lái)量子信息處理領(lǐng)域乃至基礎(chǔ)物理研究領(lǐng)域備受人們關(guān)注的方向。同時(shí)，納米機(jī)械（或稱機(jī)械諧振器）一直被認(rèn)為是研究量子到經(jīng)典的過(guò)渡、宏觀量子現(xiàn)象、量子控制等一系列基礎(chǔ)問(wèn)題的理想對(duì)象。在應(yīng)用方面，機(jī)械振子可作為高精度位移和微小質(zhì)量探測(cè)等諸多精密儀器的載體。如果機(jī)械振子呈現(xiàn)量子性，那么就可用它作為數(shù)據(jù)總線（Data bus）實(shí)現(xiàn)不同量子系統(tǒng)之間的糾纏和量子信息處理，作為傳感器或量子開(kāi)關(guān)連接具有不同頻率的量子體系從而構(gòu)成復(fù)雜的量子網(wǎng)絡(luò)等。

由于光機(jī)械系統(tǒng)可用于精密測(cè)量和量子信息等諸多領(lǐng)域，因此近年來(lái)對(duì)其研究進(jìn)展迅速，特別是近年來(lái)引力波在光機(jī)械系統(tǒng)中的發(fā)現(xiàn)，在時(shí)隔百年之后為愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論提供了確鑿的證據(jù)，相信這會(huì)推動(dòng)光機(jī)械效應(yīng)研究的又一次熱潮。微型環(huán)芯腔系統(tǒng)作為光機(jī)械效應(yīng)的載體，具有尺度小，易控制等特點(diǎn)。且由于微型環(huán)芯腔位于硅芯片上，因此便于與超導(dǎo)器件等芯片上的器件加以集成以構(gòu)成更復(fù)雜的混合器件。此外，微型環(huán)芯腔系統(tǒng)作為納米機(jī)械振子具有從低頻（約幾兆赫茲）到高頻（百兆赫茲）不同頻段的振動(dòng)模式，且便于從光腔輸出譜中提取振動(dòng)信息，因此是很好的光機(jī)械效應(yīng)的物理載體。

Nature雜志今日在線報(bào)道了由圣路易斯華盛頓大學(xué)、清華大學(xué)、紐約城市大學(xué)等研究單位組成的研究團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)中采用微型環(huán)芯腔作為物理載體觀測(cè)到了這種光機(jī)械效應(yīng)引起的機(jī)械運(yùn)動(dòng)局域化現(xiàn)象。微型環(huán)芯腔可以看做一個(gè)用硅柱子頂起來(lái)的玻璃圓盤(pán)。這一柱子頂起來(lái)的玻璃圓盤(pán)可以沿盤(pán)面徑向振動(dòng)，而光場(chǎng)分布在玻璃圓盤(pán)的外邊緣。當(dāng)位于玻璃圓盤(pán)外邊緣的光場(chǎng)足夠強(qiáng)之后，光場(chǎng)會(huì)激起玻璃圓盤(pán)的振動(dòng)，這一振動(dòng)會(huì)沿玻璃圓盤(pán)盤(pán)面從外邊緣向圓盤(pán)中心傳播【圖2a】。當(dāng)振動(dòng)傳播到玻璃圓盤(pán)中心時(shí)，由于圓盤(pán)中心用于支撐的硅柱的阻礙，振動(dòng)的機(jī)械波會(huì)被反彈回來(lái)，反向從圓盤(pán)中心向圓盤(pán)外邊緣傳播【圖2b】。當(dāng)激發(fā)振動(dòng)的光場(chǎng)很強(qiáng)時(shí)，圖2a中的正向傳播的機(jī)械波和圖2b中的反向傳播的機(jī)械波無(wú)法形成穩(wěn)定的駐波場(chǎng)，機(jī)械運(yùn)動(dòng)無(wú)法形成穩(wěn)定的駐波場(chǎng)，而是在圓盤(pán)外邊緣與圓盤(pán)中心間往復(fù)運(yùn)動(dòng)。機(jī)械波每次到達(dá)圓盤(pán)外邊緣都會(huì)受到圓盤(pán)外邊緣光場(chǎng)的調(diào)制。機(jī)械波的傳播過(guò)程可以用圖2c，其中藍(lán)色代表正向傳播的機(jī)械波，粉色代表反向傳播的機(jī)械波。由于機(jī)械波在傳播過(guò)程中收到周期的調(diào)制，因此會(huì)產(chǎn)生機(jī)械波的色散，這類似于圖2d中機(jī)械波穿過(guò)周期調(diào)制的晶格所產(chǎn)生的色散效應(yīng)。機(jī)械波的色散效應(yīng)會(huì)使得波包擴(kuò)散，而光機(jī)械引起的非線性使得波包局域化，兩者平衡形成穩(wěn)定形狀的波包。相比于傳統(tǒng)的的連續(xù)波光機(jī)械現(xiàn)象，這種特殊的機(jī)械孤子具有在時(shí)域局域化和寬譜的特征，從而大大增強(qiáng)了基于光機(jī)械增益的一系列應(yīng)用的適用范圍。

圖2. 光機(jī)械微腔中機(jī)械波傳播的機(jī)理。a, 正向傳播的機(jī)械波在微型環(huán)芯腔外邊緣被光場(chǎng)激發(fā)后由外向內(nèi)向盤(pán)子中心傳播；b, 反向傳播的機(jī)械波在盤(pán)子中心被反彈后，由內(nèi)向外向盤(pán)子外邊緣傳播；c, 機(jī)械波多次反射后色散效應(yīng)與非線性效應(yīng)平衡形成穩(wěn)定的波包；d, 等價(jià)的機(jī)械波通過(guò)周期晶格結(jié)構(gòu)調(diào)制的傳播過(guò)程；e, 光機(jī)械孤子的外包絡(luò)示意圖。

研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步將所觀測(cè)到的光機(jī)械孤子用于原子力顯微鏡針尖低頻振動(dòng)探測(cè)【圖3】。實(shí)驗(yàn)中微型環(huán)芯腔的本征振動(dòng)頻率約17兆赫茲，而原子力顯微鏡針尖本征振動(dòng)頻率約384千赫茲。二者巨大的頻率失諧，使得微型環(huán)芯腔做周期振動(dòng)的時(shí)候，無(wú)法響應(yīng)原子力顯微鏡針尖的低頻振動(dòng)。而當(dāng)微型環(huán)芯腔進(jìn)入孤子區(qū)的時(shí)候，由于微型環(huán)芯腔機(jī)械運(yùn)動(dòng)時(shí)域上出現(xiàn)局域化效應(yīng)，對(duì)應(yīng)于頻域上振動(dòng)的頻率響應(yīng)實(shí)現(xiàn)了增寬，增寬的頻率響應(yīng)特性使得微型環(huán)芯腔對(duì)針尖的低頻振動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)高效的響應(yīng)，實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到了在孤子區(qū)測(cè)量精度的極大提高。

圖3. 光機(jī)械孤子用于原子力顯微鏡針尖低頻振動(dòng)探測(cè)實(shí)驗(yàn)示意圖

該項(xiàng)工作由美國(guó)圣路易斯華盛頓大學(xué)、清華大學(xué)、美國(guó)紐約城市大學(xué)、中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所合作完成，相關(guān)成果以“Optomechanical dissipative solitons” 為題發(fā)表在2021年12月2號(hào)的Nature雜志上 。該文章的通訊作者為圣路易斯華盛頓大學(xué)電子和系統(tǒng)工程系楊蘭教授，第一作者是來(lái)自清華大學(xué)訪問(wèn)學(xué)者張靖博士。這一工作為光機(jī)械微腔應(yīng)用于量子信息、保密光通信、精密傳感等眾多領(lǐng)域開(kāi)辟了一條新的路徑。

作者簡(jiǎn)介：

張靖是清華大學(xué)長(zhǎng)聘系列副教授，博士生導(dǎo)師，長(zhǎng)期從事量子與微納系統(tǒng)控制理論，及微納光子學(xué)實(shí)驗(yàn)研究。在相關(guān)方向發(fā)表論文60余篇 。關(guān)于光機(jī)械系統(tǒng)中混沌傳遞與隨機(jī)共振的工作被Nature Photonics選為2016年6月刊的封面熱點(diǎn)論文，并入選“2016中國(guó)光學(xué)重要成果”。作為第一作者的工作獲得國(guó)際自動(dòng)控制聯(lián)合會(huì)(IFAC)青年作者獎(jiǎng)，該獎(jiǎng)項(xiàng)每三年僅評(píng)出一篇獲獎(jiǎng)?wù)撐?，這是我國(guó)高校系統(tǒng)學(xué)者第一次獲此獎(jiǎng)項(xiàng)。2012年，入選清華大學(xué)基礎(chǔ)學(xué)科青年人才支持計(jì)劃（221計(jì)劃）。2016年得到國(guó)家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年基金支持。2017年入選教育部青年長(zhǎng)江學(xué)者。

楊蘭教授是美國(guó)圣路易斯華盛頓大學(xué)電子和系統(tǒng)工程系Edwin H. & Florence G. Skinner 教授，現(xiàn)任Photonics Research主編，光學(xué)學(xué)會(huì) （Optical Society of America），美國(guó)物理學(xué)會(huì) (American Physical Society)，以及電氣與電子工程師協(xié)會(huì)（Institute of Electrical and Electronics Engineers）會(huì)士，本科畢業(yè)于中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，曾獲得美國(guó)自然科學(xué)基金會(huì)CAREER獎(jiǎng)、美國(guó)總統(tǒng)青年科學(xué)家獎(jiǎng)。其帶領(lǐng)的微納光子學(xué)實(shí)驗(yàn)室近年來(lái)在微納粒子探測(cè)、非厄米光學(xué)、光機(jī)械等領(lǐng)域取得了一系列重要進(jìn)展，有關(guān)成果發(fā)表在《自然》，《科學(xué)》，《自然-光子學(xué)》，《自然-物理學(xué)》，《自然-納米科技》，《自然通訊》，《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》等期刊。