最近，实验室黄国翔课题组提出了利用超冷里德堡原子气体作为非局域非线性光学介质产生高维弱光孤子分子并实现其主动操控的理论方案，并获得了若干重要的研究结果。 

里德堡原子是指主量子数大的高激发态原子，具有半径与电偶极矩大、寿命长、相互作用强等特点。利用激光冷却技术可以将里德堡原子气体冷却至极低温，从而可实现很长的相干时间和很大的原子-原子相互作用。特别是，利用电磁感应透明 (EIT) (图1)，不仅可有效抑制原子对光场的共振吸收，还能充分利用 EIT 带来的慢光效应和调控手段。此外，里德堡原子之间的强偶极-偶极相互作用可使体系的非局域光克尔效应大大增强，从而可实现光孤子间的无接触相互作用。

通过对里德堡-EIT系统建立数学模型并进行超出平均场近似的理论分析和计算，课题组发现，利用体系的巨非局域克尔效应及其与衍射、色散等效应的平衡，在该系统中可产生稳定传播的高维光孤子分子。这些高维光孤子分子可由基孤子或涡旋孤子的无接触相互作用而形成，具有比单个光孤子大得多的几何尺寸，极低的产生功率，以及很好的可操控性。另外，这些高维光孤子分子不仅具有很低的产生功率，还能以远低于真空光速的速度传播。通过主动操控（关闭和开启）系统中的控制激光场，可实现高维光孤子分子的存储和读取(图2)，并具有较高的存储效率和保真度。

这项工作展示了如何利用里德堡-EIT系统产生和操控高维弱光孤子分子，不仅揭示了光孤子分子的新奇物理特性，为进一步发展非局域非线性光学提供了新思路，还拓展了里德堡-EIT研究的应用范围，为相关的实验实现打下了的理论基础，并有望在光信息处理与传输问题中获得应用。相关研究结果于2022年8月7日在线发表于  Laser and Photonics Reviews  (DOI: 10.1002 /lpor. 202100297)。

图1.在里德堡原子气体中产生高维光孤子分子的能级结构和装置示意图

图2. 光孤子分子在原子气体中的存储和读取