光孤子（optical solitons）是一種非線性的光波包，在傳輸過程中即便遇到中等強度的干擾也能保持其輪廓，因此在光通信、全光信息處理以及超快激光技術中有著廣泛的應用。光孤子之間的相互作用表現出許多類似粒子的特性，幾十年來已被廣泛研究。

DOI: 10.1038/s41377-021-00558-x

在諸多研究方向中，特別值得關注的就是光孤子的非線性耗散系統。作為平衡相互作用的結果，光孤子的邊界狀態表現出獨特的matter-light 的相似性，並以“孤子分子”（soliton molecules）為代表–緊湊的多孤子結構，作為不變的單一實體傳播。

科學家對孤子分子的動力學引起了廣泛的興趣，特別是孤子分子的合成和解離，讓人聯想到化學反應的情況。然而，對孤子分子的研究大多依賴於不受控制的隨機激發，而且長期以來一直停留在單體水平，沒有探索涉及大量孤子的隨機和統計特性，因此難以進行更高層次的多孤子動力學研究。

近日發表在《Light Science & Application》的最新論文中，來自德國馬克斯·普朗克光科學研究所（隸屬於Philip Russell 教授）的何文斌（Wenbin He，音譯）和彭蒙（Meng Pang）兩位教授帶領下，科學團隊開發了一個獨特的平台，命名為“平行光孤子反應器”（parallel optical-soliton reactors）。

這套裝置可以能夠承載大部分孤子分子的大規模動態事件。這種平行反應器，類似於化學反應器，可以隔離和承載多個孤子，然後通過各種全光方法操縱它們的相互作用。

當數百個這樣的平行反應器在精心準備的初始狀態和控制技術下同時運行時，可按需合成和解離大量的孤子分子，展開一個新的多孤子動力學全景，其性質是隨機的。

此外，在大規模平行反應中發現了與經典化學動力學高度相似的統計規則，這促進了傳統的matter-light analogy 進入集體層面。這些結果為孤子動力學帶來了更高層次的洞察力，既有利於非線性系統的基礎研究，也有利於涉及大量光學孤子的實際應用。

平行光孤子反應器是基於一個獨特的光學機械晶格，該晶格是用一個光聲模式鎖定的光纖激光器創建的。關鍵部件實際上只是一小段光子晶體光纖（PCF）–一種特殊的微結構光纖，它有一個被空心通道陣列包圍的微芯。

科學家表示：

基於微芯PCF的光聲模式鎖定光纖激光器，在我們實驗室已經開發了多年，它利用了微芯PCF中增強的光聲相互作用。當插入傳統的鎖模光纖激光器時，PCF提供了一個聲學共振，通常為GHz速率，通過這個共振，數米長的光纖腔可以有效地分成數百個時隙，每個時隙對應一個聲學振動週期，從而形成一個光學機械晶格。每個時隙，或“晶格單元”可以承載多個與其他時隙隔離的孤子，並可以被操縱，作為許多平行反應器發揮作用，其中的反應物是光學孤子，而不是真正的原子和分子。

這項工作的主要突破是按需控制由光機械晶格承載的每個平行反應器中的孤子相互作用。我們將這些方法分為兩種類型。一種是依靠同時影響所有反應器的激光腔擾動，這被稱為”全局控制”。另一種是利用外部尋址脈衝，在選定的反應器上誘發擾動，而不影響其他反應器，這被稱為”單獨控制”。相位不相關的長程孤子相互作用在這種受控相互作用中發揮了重要作用。孤子分子的可控合成和解離實際上是通過仔細的裁剪實現的。