孤子最早是由英國科學家、造船工程師羅素在1834年觀察運河水道里的水流的時候觀察到的，在之後的演講報告中，羅素這樣描述那天他所觀察到的現象：“當時，我正在觀看沿著狹窄水道由兩匹馬牽引向前的一隻小船的運動。當小船驟然停止時，水道中為小船所推動的一大堆水卻並不停止，水積聚在船頭前面猛烈地激盪著，然後水浪突然呈現出個很大的、孤立的凸起，那是一個滾圓而光滑、周界分明的水堆。他以巨大的速度向前滾動，而將小船留在它後面。這一水堆沿著水道繼續行進而且沒有明顯地改變其形狀或降低其速度。我騎馬緊跟，並追上了它，它仍保持其原來的大約30英尺長、1英尺至1英尺半的高度以大約每小時8或9英里的速度滾滾向前。這是我第一次有機會見到這樣一個獨一無二的現象。”
羅素所觀察到的就是孤子現象，它是由非線性引起的波的局域化傳播。上面的影片中給出了水波孤子的演示。孤子普遍存在於我們的日常生活中，如在海洋中或河流中我們經常能夠看到穩定向前運動的水波波包，就是水波中的孤子。此外，孤子還普遍存在於晶格結構、光纖、磁結構、蛋白質和核酸分子結構中。近年來，人們在微納結構特別是光學微腔中觀測到了耗散克爾（Kerr）光學孤子，並發現其在產生片上整合光頻梳以及通訊等領域具有廣泛的應用，在微納結構中產生並應用孤子效應逐漸成為國際熱點。
儘管在微腔中的光孤子已為人們所廣泛關注，在微納結構特別是微腔中觀測機械孤子即振動的局域化效應並非易事，主要原因是微腔中機械運動的非線性過弱，不足以產生振動局域化效應，而光機械效應產生的強振動非線性為其提供了可能【圖1】。
圖1. 光引起的機械運動局域化示意圖
微腔中的光機械效應是由於光被微腔局域於微納尺度中引起的微腔的機械振動，其在引力波探測、高精度計量、量子計算與量子通訊等重要研究領域都有直接應用。光機械效應使得微腔中光與機械振動二者之間產生強耦合作用，這種強耦合作用會引起機械運動的非線性行為，從而導致機械運動局域化。
近年來，迴音壁模式(Whispering Gallery Mode，簡稱WGM)光學微腔以其優越的品質因子成為探索光機械現象的理想平臺。光機械效應在近年來越來越被人們所重視。事實上，固態晶片上的光機械系統是近年來量子資訊處理領域乃至基礎物理研究領域備受人們關注的方向。同時，奈米機械（或稱機械諧振器）一直被認為是研究量子到經典的過渡、宏觀量子現象、量子控制等一系列基礎問題的理想物件。在應用方面，機械振子可作為高精度位移和微小質量探測等諸多精密儀器的載體。如果機械振子呈現量子性，那麼就可用它作為資料匯流排（Data bus）實現不同量子系統之間的糾纏和量子資訊處理，作為感測器或量子開關連線具有不同頻率的量子體系從而構成複雜的量子網路等。
由於光機械系統可用於精密測量和量子資訊等諸多領域，因此近年來對其研究進展迅速，特別是近年來引力波在光機械系統中的發現，在時隔百年之後為愛因斯坦的廣義相對論提供了確鑿的證據，相信這會推動光機械效應研究的又一次熱潮。微型環芯腔系統作為光機械效應的載體，具有尺度小，易控制等特點。且由於微型環芯腔位於矽晶片上，因此便於與超導器件等晶片上的器件加以整合以構成更復雜的混合器件。此外，微型環芯腔系統作為奈米機械振子具有從低頻（約幾兆赫茲）到高頻（百兆赫茲）不同頻段的振動模式，且便於從光腔輸出譜中提取振動資訊，因此是很好的光機械效應的物理載體。
Nature雜誌今日線上報道了由聖路易斯華盛頓大學、清華大學、紐約城市大學等研究單位組成的研究團隊在實驗中採用微型環芯腔作為物理載體觀測到了這種光機械效應引起的機械運動局域化現象。微型環芯腔可以看做一個用矽柱子頂起來的玻璃圓盤。這一柱子頂起來的玻璃圓盤可以沿盤面徑向振動，而光場分佈在玻璃圓盤的外邊緣。當位於玻璃圓盤外邊緣的光場足夠強之後，光場會激起玻璃圓盤的振動，這一振動會沿玻璃圓盤盤面從外邊緣向圓盤中心傳播【圖2a】。當振動傳播到玻璃圓盤中心時，由於圓盤中心用於支撐的矽柱的阻礙，振動的機械波會被反彈回來，反向從圓盤中心向圓盤外邊緣傳播【圖2b】。當激發振動的光場很強時，圖2a中的正向傳播的機械波和圖2b中的反向傳播的機械波無法形成穩定的駐波場，機械運動無法形成穩定的駐波場，而是在圓盤外邊緣與圓盤中心間往復運動。機械波每次到達圓盤外邊緣都會受到圓盤外邊緣光場的調製。機械波的傳播過程可以用圖2c，其中藍色代表正向傳播的機械波，粉色代表反向傳播的機械波。由於機械波在傳播過程中收到週期的調製，因此會產生機械波的色散，這類似於圖2d中機械波穿過週期調製的晶格所產生的色散效應。機械波的色散效應會使得波包擴散，而光機械引起的非線性使得波包局域化，兩者平衡形成穩定形狀的波包。相比於傳統的的連續波光機械現象，這種特殊的機械孤子具有在時域局域化和寬譜的特徵，從而大大增強了基於光機械增益的一系列應用的適用範圍。
圖2. 光機械微腔中機械波傳播的機理。a, 正向傳播的機械波在微型環芯腔外邊緣被光場激發後由外向內向盤子中心傳播；b, 反向傳播的機械波在盤子中心被反彈後，由內向外向盤子外邊緣傳播；c, 機械波多次反射後色散效應與非線性效應平衡形成穩定的波包；d, 等價的機械波透過週期晶格結構調製的傳播過程；e, 光機械孤子的外包絡示意圖。
研究團隊進一步將所觀測到的光機械孤子用於原子力顯微鏡針尖低頻振動探測【圖3】。實驗中微型環芯腔的本徵振動頻率約17兆赫茲，而原子力顯微鏡針尖本徵振動頻率約384千赫茲。二者巨大的頻率失諧，使得微型環芯腔做週期振動的時候，無法響應原子力顯微鏡針尖的低頻振動。而當微型環芯腔進入孤子區的時候，由於微型環芯腔機械運動時域上出現局域化效應，對應於頻域上振動的頻率響應實現了增寬，增寬的頻率響應特性使得微型環芯腔對針尖的低頻振動可以實現高效的響應，實驗中觀測到了在孤子區測量精度的極大提高。
圖3. 光機械孤子用於原子力顯微鏡針尖低頻振動探測實驗示意圖
該項工作由美國聖路易斯華盛頓大學、清華大學、美國紐約城市大學、中科院瀋陽自動化研究所合作完成，相關成果以“Optomechanical dissipative solitons” 為題發表在2021年12月2號的 Nature 雜誌上 。該文章的通訊作者為聖路易斯華盛頓大學電子和系統工程系楊蘭教授，第一作者是來自清華大學訪問學者張靖博士。這一工作為光機械微腔應用於量子資訊、保密光通訊、精密感測等眾多領域開闢了一條新的路徑。
作者簡介：
張靖是清華大學長聘系列副教授，博士生導師，長期從事量子與微納系統控制理論，及微納光子學實驗研究。在相關方向發表論文60餘篇 。關於光機械系統中混沌傳遞與隨機共振的工作被Nature Photonics選為2016年6月刊的封面熱點論文，併入選“2016中國光學重要成果”。作為第一作者的工作獲得國際自動控制聯合會(IFAC)青年作者獎，該獎項每三年僅評出一篇獲獎論文，這是我國高校系統學者第一次獲此獎項。2012年，入選清華大學基礎學科青年人才支援計劃（221計劃）。2016年得到國家自然科學基金優秀青年基金支援。2017年入選教育部青年長江學者。
楊蘭教授是美國聖路易斯華盛頓大學電子和系統工程系Edwin H. & Florence G. Skinner 教授，現任Photonics Research主編，光學學會 （Optical Society of America），美國物理學會 (American Physical Society)，以及電氣與電子工程師協會（Institute of Electrical and Electronics Engineers）會士，本科畢業於中國科學技術大學，曾獲得美國自然科學基金會CAREER獎、美國總統青年科學家獎。其帶領的微納光子學實驗室近年來在微納粒子探測、非厄米光學、光機械等領域取得了一系列重要進展，有關成果發表在《自然》，《科學》，《自然-光子學》，《自然-物理學》，《自然-奈米科技》，《自然通訊》，《美國國家科學院院刊》等期刊。
論文資訊：
“Optomechanical dissipative solitons“，Jing Zhang, Bo Peng, Seunghwi Kim, Faraz Monifi, Xuefeng Jiang, Yihang Li, Yu-xi Liu, Andrea Alù, and Lan Yang，December 2 issue, 2021.
https://www.nature.com/articles/s41586-021-04012-1
