Физики создали стабильные «дышащие» солитоны в системах без сохранения энергии

Дышащий невзаимный солитон. Автор: Physical Review X (2025). DOI: 10.1103/nrv2-9h8z

Солитонные волны — волны, сохраняющие свою форму и направление движения в течение длительного времени — интригуют физиков уже почти два столетия. В реальных условиях эти волны в конечном итоге затухают из-за потерь энергии. Команда физиков из Амстердамского университета (UvA) обнаружила, как особый тип взаимодействия можно использовать для создания очень стабильных солитонов даже в условиях, когда энергия не сохраняется.

В 1834 году Джон Скотт Рассел наблюдал необычное явление в канале Юнион в Шотландии. После остановки движущейся лодки вызванная ею водная волна продолжала движение по каналу, сохраняя практически ту же скорость и форму.

Потребовалось более полувека, пока в 1895 году работа голландских математиков Дидерика Кортевега и Густава де Фриза не объяснила это явление во всех математических деталях. То, что видел Рассел, было «уединённой волной», явлением, ныне более известным как солитон.

Сегодня мы знаем, что такие солитоны встречаются не только на мелководье, но и в оптике, магнитных полях и многих других разделах физики, где играют роль волновые явления. В отличие от типичных волн, которые расплываются и затухают, солитоны движутся как частицы, сохраняя свою волнообразную форму на больших расстояниях.

Однако в реальных системах, где неизбежны трение или подвод энергии, идеальные солитоны обычно не выживают. Если бы Рассел продолжал следить за волной, вызванной лодкой, в конечном итоге она бы исчезла.

Асимметричное взаимодействие

В своем последнем исследовании, опубликованном на этой неделе в Physical Review X, команда физиков из Амстердамского университета взялась за задачу стабилизации солитонов в таких неидеальных, реальных условиях.

Идя по стопам своих предшественников из UvA Кортевега и Де Фриза, первый автор Йонас Венстра и его шесть коллег нашли способ создать особый вид солитона, известный как «дышащий» солитон, и поддерживать его в течение длительного времени даже в системах, где энергия не сохраняется.

Для этого в лаборатории руководителя группы Корентена Куле исследователи построили систему из «активных механических осцилляторов» — небольших стержней, которые могут вращаться и приводятся в движение индивидуальными крошечными моторами, соединёнными резиновыми лентами. Когда один осциллятор начинает двигаться, его сосед тоже приходит в движение, и таким образом могут формироваться волны — включая солитонные.

Осцилляторы, использованные в экспериментах, обладают интересным свойством: они могут влиять друг на друга невзаимным образом. То есть осциллятор влияет на своего сосина иначе, чем сосед влияет на исходный осциллятор.

Когда физики исследовали, как эти невзаимные взаимодействия влияют на поведение солитонов, они обнаружили, что эта асимметрия является ключом к долгоживущим солитонам. Асимметрия позволяла солитонной волне ускоряться, а затем переходить в устойчивое, неизменное движение, всё это без потери формы или энергии.

От наблюдения к применению

Наблюдаемое поведение всегда было особенно трудно достичь с так называемыми «дышащими» солитонами, которые постоянно меняют свою форму при движении. На этот раз исследователи увидели именно это: устойчивый, дышащий солитон.

Хотя явление не совсем новое — группа уже наблюдала первый брэзер-солитон экспериментально 6 лет назад — потребовалась новая и более точная экспериментальная установка, разработанная с тех пор, чтобы точно определить условия, при которых брэзер-солитоны движутся стабильно в условиях невзаимности.

Результаты показывают существование robustных, долгоживущих солитонов даже в системах, где энергия теряется. Это не просто красивое явление, которое можно наблюдать в лаборатории, подобно тому, как Рассел два века назад наблюдал самый первый солитон в канале.

Устойчивые солитонные волны очень полезны: их можно использовать для эффективной передачи сигналов или энергии, что делает их перспективными для применения в датчиках, устройствах для сбора энергии и роботизированных системах.

Имея в виду такие практические применения, Венстра и коллеги в настоящее время пытаются выйти за рамки простых цепочек осцилляторов, исследуя, как подобные волны ведут себя в двумерных поверхностях из невзаимных осцилляторов.

В перспективе их исследование открывает новые возможности для проектирования умных материалов, которые полагаются на стабильное, самоподдерживающееся волновое движение — шаг к адаптивным системам, которые надёжно работают в различных динамических средах.

Больше информации: Jonas Veenstra et al, Nonreciprocal Breathing Solitons, Physical Review X (2025). DOI: 10.1103/nrv2-9h8z

Источник: University of Amsterdam