Robust bistable vortex light bullets in graded-index multimode fibers

通常人们认为光是一束沿直线传播并向外扩散的射线。但在特定条件下，光可以被引导使其保持形状，表现得像一个在空间中移动且不失其形态的固体物体。这种现象依赖于两种相反力量之间的微妙平衡：光束自然扩散的趋势，以及它所穿过的材料使其聚焦的特性。当这些力量完美抵消时，光就变成了“孤子”（soliton），一种可以长距离旅行而不发生改变的自包含数据包。科学家们长期以来一直对一个更复杂的版本感到着迷：一种不仅在空间上受到限制，而且在时间上也受到限制的光脉冲，从而创造出一个三维的“光子弹”。更令人感兴趣的是这种光子弹的一种特定类型，它携带了一种被称为轨道角动量的扭转，赋予了它类似于螺旋形结构的旋涡结构。

研究人员一直试图回答的问题是，这些带有扭转的三维光子弹是否能在真实的物理光纤内部保持稳定。虽然理论模型表明它们可能存在，但其中涉及的复杂物理过程使得证明它们能够在不解体的情况下存在变得十分困难。在一项新的研究中，一组物理学家展示了这些被称为“时空涡旋子弹”的结构确实可以在一种被称为渐变折射率多模光纤的特定类型光纤中形成并保持稳定。通过将先进的数学建模与强大的计算机模拟相结合，研究人员发现这些光子弹并不只以单一形式存在；它们实际上可以以两种不同的稳定状态存在于相同的能量水平下。这一发现为未来技术（特别是信息处理和安全通信领域）操控光的方式打开了大门。

为了理解其工作原理，请想象一束带着扭转的光，就像是由光子组成的螺旋楼梯。在标准光纤中，这种扭转通常会导致光束发生畸变并破碎。然而，本研究中使用的光纤具有一种特殊设计，即材料折射光的能力从中心到边缘逐渐变化，形成一个抛物线形状。这种梯度就像一个温柔的、隐形的透镜，不断将光推回中心，以抵消光束向外扩散的趋势。研究人员关注的是一种在空间和时间上都受到限制的特定类型光脉冲，这意味着它是一个既短促又窄小的光爆发。当这种脉冲带有扭转（或称“拓扑电荷”）时，它会产生一个中心光强降为零的涡旋。

该团队采用了一种两部分的方法来研究这些脉冲。首先，他们开发了一个简化的数学模型来预测光的行为，将脉冲视为一个具有宽度和强度等几个关键特征的单一物体。这使他们能够绘制出这些光子弹可能采取的形状。他们发现，对于给定的能量，光可以稳定在两种截然不同的形状之一。一种形状较宽且强度较低，而另一种则较窄且强度较高。这种被称为“双稳态”的现象意味着系统有两个可用的稳定选项，就像一个球停留在山坡上的两个谷底之一。研究人员确定这种行为取决于描述光之扭转的特定数值以及其结构中的环数。

为了验证这些预测，团队运行了详细的计算机模拟，追踪光脉冲在光纤中传输的过程。他们引入了微小的随机扰动，模拟真实实验中可能出现的噪声，以观察这些子弹是否能存活。结果显示，这些光子弹是非常鲁棒的。只要脉冲保持在与它在光纤中移动速度相关的特定属性的某个阈值之下，它就能保持稳定。如果脉冲超过了这个极限，它就会破碎成碎片。模拟显示，稳定的子弹可以不丢失其形状或扭转，飞行数百倍于其自身宽度的距离。

研究人员还探索了当光子弹从其完美状态受到轻微扰动时会发生什么。光子弹并没有立即解体，而是开始“呼吸”。它的宽度和强度会以一种规则的、有节奏的模式上下波动，在向前移动的过程中进行扩张和收缩。这种“呼吸”行为是稳定系统的标志，表明系统可以吸收小冲击而不至于崩溃。团队能够计算这些振荡的频率，并表明光脉冲的行为类似于被困在一个势阱中的粒子，在定义的范围内来回跳动。这种对呼吸运动的详细理解有助于解释为什么这些结构如此具有韧性。

该研究重点研究了具有不同扭转数和环数的脉速，证实了这种稳定行为在各种配置下都是成立的。研究人员确定了创造这些状态所需的特定实验条件，例如光纤中使用的玻璃类型和光的波长。他们发现，使用具有特定芯径和特定类型掺杂玻璃的光纤，可以满足必要的条件。这项工作表明，这些稳定的、带有扭转的光子弹不仅仅是理论上的奇观，而且在实验室环境下是物理上可实现的。

这一发现意义重大，因为它展示了一种控制光的新方法，可能对携带信息非常有用。创造能够稳定存在、携带扭转并同时以两种不同状态存在的光脉冲的能力，为编码数据提供了新的可能性。在量子信息领域，其中粒子的状态被用于存储信息，操纵这些光子弹的能力可能会带来更高效的信息处理和传输方式。这些研究结果为理解光在复杂环境中的行为提供了清晰的图景，并为构建利用这些独特属性的设备提供了路线图。通过证明这些结构是稳定且可预测的，研究人员为未来的实验奠定了基础，有望将这些理论概念转化为下一代光学技术的实用工具。