研究發(fā)現(xiàn)：非線性作用下波包最終歸于“凍結(jié)”

上海交通大學(xué)物理與天文學(xué)院教授葉芳偉課題組的一項(xiàng)最新研究，將Thouless泵浦推進(jìn)到非線性范疇，并發(fā)現(xiàn)了分?jǐn)?shù)階Thouless泵浦現(xiàn)象。相關(guān)研究近日發(fā)表于《物理評(píng)論快報(bào)》。

在一些特定的周期系統(tǒng)里，波包在橫向跨越晶格時(shí)，其跨越的方向和位移僅決定于系統(tǒng)的某種全局特性——“拓?fù)湫?rdquo;——而與其所在處系統(tǒng)的局部細(xì)節(jié)無關(guān)。該現(xiàn)象最早由物理學(xué)家David Thouless在1983年發(fā)現(xiàn)，后被稱為“Thouless 泵浦”，又名“量子輸運(yùn)”。

Thouless泵浦在很多物理系統(tǒng)中都得到了驗(yàn)證。由于很多物理系統(tǒng)具有非線性物理響應(yīng)，一個(gè)很自然的問題是：非線性如何影響Thouless 泵浦?

該課題組以自聚焦非線性響應(yīng)為例，研究了非線性作用下，波包在拓?fù)湎到y(tǒng)中的演化行為。他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)波包振幅慢慢增加時(shí)，由于非線性效應(yīng)，波包會(huì)形成孤子態(tài)，但其質(zhì)心的位移依然和純線性時(shí)的情形一致。有趣的事情在當(dāng)波包的振幅繼續(xù)增加時(shí)出現(xiàn)：波包的移動(dòng)方向忽然發(fā)生了反轉(zhuǎn)，移動(dòng)距離也發(fā)生了明顯的躍變!

“在這個(gè)階段，非線性不僅起到了局域波包、形成孤子的作用，還耦合了各個(gè)能帶，將前三個(gè)能帶均勻地激發(fā)了出來。”葉芳偉說，“因此，波包的傳輸由這三個(gè)激發(fā)帶的平均拓?fù)潢悢?shù)決定。即，Thouless 泵浦在較強(qiáng)非線性作用下，由于耦合了多個(gè)拓?fù)淠軒В霈F(xiàn)了分?jǐn)?shù)階泵浦現(xiàn)象。”

進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，波包的移動(dòng)最終歸于“凍結(jié)”。這是因?yàn)楦嗟哪軒г诜蔷€性作用下參與進(jìn)來。有趣的是，盡管此時(shí)的孤子沒有宏觀上的定向移動(dòng)，但出現(xiàn)了原地不斷“抖動(dòng)”的現(xiàn)象，反映了相關(guān)拓?fù)淠軒еg的耦合和競(jìng)爭(zhēng)。

“發(fā)現(xiàn)非線性Thouless泵浦意味著，通過調(diào)節(jié)波包的振幅這一參數(shù)，就可以控制孤子波的移動(dòng)方向和移動(dòng)距離。”葉芳偉補(bǔ)充說，“這一研究從理論上將孤子的動(dòng)力學(xué)行為和系統(tǒng)拓?fù)湫月?lián)系了起來，也為各類波(物質(zhì)波、光波、聲波等)定向移動(dòng)的控制提供了一種新的調(diào)控手段。”(作者：張雙虎 黃辛)

標(biāo)簽： 非線性作用 移動(dòng)波調(diào)控動(dòng) 非線性物理響應(yīng) 波包振幅