超快原子振动调节热传输，作为化学键的指纹，并驱动凝聚态系统中的相变。短于原子振荡周期的光脉冲不仅可以使用探针，甚至可以激发和控制集体激发。一般来说，这种相互作用是由自由传播的脉冲完成的。
光孤子是一种稳定的光波包，它以超短脉冲激光器的形式以一连串闪光的形式发射出来。这些孤子经常以极短的时间间隔成对组合。
通过引入太赫兹范围的原子振动，拜罗伊特大学和沃罗彻瓦大学的研究人员现在解决了这些时间链接是如何形成的谜题。
他们报告了他们的发现自然通讯．
耦合光包的动力学可以作为材料的特征“指纹”以极快的方式测量原子振动。
“与几纳秒的空腔往返周期相比，由于声子的快速衰变，原子晶格动力学通常保持隐藏。”研究报价。
在超短脉冲激光器中，光孤子可以形成特别紧密的空间和时间键。这些也被称为超短“孤子分子”，因为它们彼此之间是稳定耦合的，类似于分子中的化学键合原子。
拜罗伊特的研究小组使用了一种广泛使用的固态激光器，由掺杂钛原子的蓝宝石晶体制成，以找出这种耦合是如何发生的。
首先，一束前导光刺激蓝宝石晶格中的原子瞬间振动。这种特征运动在太赫兹范围内振荡，并在几皮秒内再次衰减(一皮秒相当于万亿分之一秒)。在这极短的时间跨度内，晶体的折射率发生变化。当第二束光紧随其后并赶上第一束光时，它就能感知到这种变化:它不仅受到原子振动的轻微影响，而且还能稳定地与前一束孤子结合。一个“孤子分子”诞生了。
“我们发现的机制是基于拉曼散射和自聚焦的物理效应。它解释了自30多年前钛蓝宝石激光器发明以来困扰科学的各种现象。这一发现尤其令人兴奋的是，我们现在可以利用在激光腔中产生的孤子的动力学，以极快的速度扫描材料中的原子键。现在，对所谓的腔内拉曼光谱的整个测量只需不到千分之一秒。这些发现可能有助于开发特别快速的化学灵敏度显微镜，用于识别材料．此外，耦合机制开辟了通过原子运动控制光脉冲的新策略，反过来，通过光脉冲产生独特的材料状态，”拜罗伊特大学的研究负责人、超快动力学的年轻教授Georg Herink博士解释说。
“我们揭示了光学声子的脉冲受激拉曼散射是腔内超快时间孤子与晶体活性介质耦合的基本驱动力。该过程通过时空上的克尔非线性进行中介，并表现为孤子间运动。因此，脉冲激发的晶格运动在太赫兹声子拍下产生稳定和超稳定的孤子边界态，并且通过腔调谐可获得更复杂的轨迹。我们的结果为快速自主时域拉曼光谱的瞬态孤子动力学研究提供了可能。此外，时间孤子和声子之间的耦合机制为超快腔声子提供了前所未有的途径。”研究的结论。
光学系统中孤子的相互作用及其在高速光谱学中的应用，目前正在拜罗伊特大学的DFG研究项目FINTEC中进行研究。
期刊引用
- Völkel, A.， Nimmesgern, L.， Mielnik-Pyszczorski, A.等。腔内拉曼散射耦合太赫兹声子孤子分子。Nat Commun132066(2022)。DOI:10.1038 / s41467 - 022 - 29649 - y
