导读

非互易相互作用表现为作用力与反作用力不对称，是众多生物与人工系统中一系列奇特现象的物理基础。尽管该现象在多个领域中被广泛研究，但人们对其在波的非线性相互作用方面的探索仍然较少。值得注意的是，非互易相互作用往往伴随额外动量的产生，从而可能改变系统原有的冲量–动量关系。在此背景下，南开大学物理科学学院的胡毅/陈志刚/许京军教授研究团队近日发现，具有非互易内部相互作用的光学孤立波，在受到外部冲量作用时，会表现出反常的动量响应行为。这一发现为非互易光相互作用的基础研究提供了新思路，在非互易光子学中具有潜在的应用前景。相关研究成果以 “Unusual impulse-momentum relationship in non-reciprocal light interactions” 为题发表于《Light: Science & Applications》。

研究背景

非互易相互作用在自然界中普遍存在，其典型特征是两个主体之间呈现非对称的相互作用。这类相互作用通常属于非平衡动力学的范畴，在集体运动与有序结构的形成中发挥着关键作用，并促进了诸多生命现象与生态过程的涌现。受到自然系统的启发，人们也将非互易相互作用引入新型人工材料和器件的设计之中。然而，尽管其影响深远，关于非互易相互作用在非线性波系统中的研究仍然相对有限。尤其是，非互易作用往往会引入额外动量，从而出现与传统不同的冲量–动量关系——这一现象长久以来未被系统探索，亟需进一步研究。

研究内容

一、基于非线性调控的反常冲量–动量关系

本文报道了在光学平台中，由非互易波相互作用引发的反常冲量–动量关系。研究对象是一种由两束光经历竞争非线性组成的孤立波，其中一束光经历自聚焦非线性，另一束光经历自散焦非线性。令人意外的是，当外部冲量施加在自聚焦分量上时，孤立波获得的动量大小将超过这个外部冲量（图1a）；而当冲量作用于自散焦分量时，孤立波的动量方向则会发生反转（图1b）。在这两种情形下，只要孤立波保持结构完整，其冲量–动量关系均呈现线性特征，比例系数要么大于 1（图1c），要么为负值（图1d），显著偏离通常为 1 的标准情况。

图1：光学孤立波对外部冲量的反常响应。

二、产生机制

这些反常冲量–动量关系的物理起源也得到了揭示。对于仅对光束 A 施加朝左的冲量的情况 [图2(a)]，光束 A 会向左偏移，而未施加冲量的光束 B 则略微滞后，两束光被错开，从而引发了指向左侧的横向相互作用力，对光场间的作用引入了额外的动量，且方向与外加冲量一致。相反，当冲量施加在光束 B 上时，两束光的相对位置趋势发生反转，使得它们所受到的相互作用力指向与冲量相反的方向 [图2(b)]，从而导致孤立波整体向与冲量相反的方向偏移。

图2：孤立波两分量受到的内力。

三、实验验证

该研究的实验装置如图3a 所示。光束 A（或 B）仅在对晶体施加正（或负）电场的时候入射，在没有相互作用时，仅感受自聚焦（或自散焦）非线性效应（图3b、f）。当两束光发生相互作用后，将共同形成孤立波，其空间形貌在从入射面到出射面的传播过程中基本保持不变（图3b–e）。

图3：包含非互易相互作用的光孤波的实验实现。

进一步地，当对孤立波的不同分量施加冲量后，实验结果很好地再现了上述两种情况下的反常冲量–动量关系（图4）。

图4：光与光相互作用中的反常冲量-动量关系的实验测量。

总结与展望

该研究团队报道了一种在外部冲量作用下表现出反常动量响应的光学孤立波。该孤波由两个分量构成：一个分量经历自聚焦非线性，另一个分量经历自散焦非线性。当外部冲量作用于自聚焦分量时，孤波整体获得更大的动量；而作用于自散焦分量时，孤波则呈现出反向动量。这些反常的冲量–动量关系已在实验中得到了验证。

此项发现有望推动更多基于非互易光相互作用的基础研究，并可能为光的单向传输操控与光开关技术带来全新应用。这一概念还有望启发光学范畴之外的其它体系——如物质波、水波和波色爱因斯坦凝聚体中的非互易波调控研究。（来源：LightScienceApplications微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-025-02139-8