西北大学理论物理团队在非对称调制不稳定性研究方面取得重要进展

近日，我校理论物理团队成员刘冲副教授与合作者基于实验上可实现的可积模型，通过精确理论和数值模拟首次揭示了广泛存在的非对称调制不稳定性的严格物理图景，给出了精确描述该类不稳定性非线性演化性质和规律的基本方法，为实现观测提供了基准。研究成果以“Exact Analytic Spectra of Asymmetric Modulation Instability in Systems with Self-Steepening Effect”为题，于8月27日发表在物理学专业领域公认的顶级期刊Physical Review Letters上。这是以我校为第一单位在该期刊上发表的第三篇论文，是物理学学科建设的又一重大突破性成果。

不稳定性在自然界和生活中无处不在。由弱周期调制诱发，即调制不稳定性“modulation instability”是不稳定性最基本的表现之一。近年来，由于调制不稳定性的非线性演化可描述诸多重要的奇异现象（包括怪波事件、孤子形成、Fermi-Pasta-Ulam循环、湍流和超连续光谱产生），其研究已在多个系统掀起热潮。

严格描述调制不稳定性完整的非线性演化是物理学家孜孜以求的目标。早在1986年，物理学家就已提出了不稳定性的精确理论，即著名的“Akhmediev呼吸子”。然而，该理论无论在时域还是频域上仅仅局限于一类特殊的具有高度反射对称性的不稳定演化情形，能够描述更一般的非对称调制不稳定性的严格理论在国内外理论物理学界长期处于空白。

研究小组围绕这一难题，基于实验上可实现的非线性可积模型，考虑自陡峭效应诱发的非对称调制不稳定性演化过程，发展一般的精确非线性理论，首次在时域和频域上，给出了描述该非对称不稳定性演化的精确解析结果。进一步，利用数值结果验证了该精确理论的有效性，从而建立了精确描述非对称调制不稳定性演化规律的一般框架[Phys. Rev. Lett. 127, 094102 (2021)]。评审专家评价：“该非对称的解析结果是极其重要的（very far from being a trivial task）并将对实验观测起到极其关键的作用”。目前，研究小组已将该方法推广至描述多波相互作用的耦合系统，并揭示矢量非对称谱的若干重要特性[Phys. Rev. E 104, 024215 (2021)]。评审专家评价：“该论文将成为该领域的标准文献（standard reference）”。

此项目我校为第一研究单位，刘冲副教授为该论文的第一作者和第一通讯作者，澳大利亚国立大学的Nail Akhmediev教授为共同通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金委“彭桓武高能基础理论中心”项目、面上项目和青年项目（项目号：12047502，12175178，12004309，11705145）以及陕西省自然科学重大基础研究项目（项目号：2017KCT-12，2017ZDJC-32）的支持。

原文链接：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.127.094102

时域上非对称调制不稳定性的振幅分布。（a）（b）精确解析结果,（c）数值模拟。（d）(e)解析和数值结果对比。结果表明数值和解析结果完美吻合。

频域上非对称调制不稳定性的谱演化。（a）精确解析结果，（b）数值模拟