Физики впервые создали устойчивые 3D-солитоны в лаборатории

Итальянские физики впервые создали «солитон-комок» — чрезвычайно устойчивый пакет световых волн, способный перемещаться в трёхмерном пространстве и взаимодействовать с другими солитонами, не теряя формы.

Наблюдение солитона-комка в 2D-фотонной жидкости. Автор: Людовика Диели

Под руководством Людовики Диели из Римского университета «Сапиенца» команда добилась результата, используя специально созданный кристалл, чья реакция на падающие световые лучи могла точно контролироваться с помощью внешнего напряжения. Их исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters.

Солитон — это короткий всплеск локализованных волн, который теоретически может сохранять свою форму бесконечно долго при распространении и даже при взаимодействии с другими волнами. Такое поведение возможно благодаря математической концепции «интегрируемости», которая описывает нелинейные уравнения с большим числом сохраняющихся величин, таких как энергия и импульс.

Хотя интегрируемые солитоны уже создавались в лаборатории, они существовали только в одном измерении. Однако в 1970 году пара советских физиков представила модель, показывающую, как солитоны могут реалистично распространяться в 3D-пространстве. Этот волновой пакет, названный «солитоном-комком», описывается уравнением Кадомцева — Петвиашвили (КП).

«Однако исследования солитона-комка по-прежнему не имели экспериментального подтверждения из-за ограничительных условий, требуемых уравнениями КП для применения к реальной физической системе», — объясняет Диели.

В своём исследовании команда Диели преодолела эту проблему, используя кристалл ниобата стронция-бария, чьи фоторефрактивные свойства заставляют свет распространяться контролируемым, зависящим от интенсивности образом. Применяя внешнее напряжение к кристаллу, команда смогла создать 2D-«фотонную жидкость» — оптическое поле, которое течёт подобно обычной жидкости.

Это позволило им контролировать его «нелинейный» отклик на падающий световой луч. «Наша установка также позволила нам контролировать амплитуду и фазу светового луча с микрометрической точностью», — добавляет Диели.

С помощью этого тщательно контролируемого подхода исследователи смогли, наконец, получить многомерные, по-настоящему интегрируемые солитоны, которые ускользали от физиков десятилетиями.

«Мы наблюдали солитон-комок, который сохраняет свою аналитическую форму во время распространения и претерпевает характерный сдвиг в 2D-плоскости, перпендикулярной его движению», — продолжает Диели.

Эта форма оставалась неизменной даже при столкновении волнового пакета с идентичным солитоном-комком, движущимся в противоположном направлении, что является явной демонстрацией его интегрируемости.

Команда надеется, что их успешный экспериментальный результат может иметь перспективные последствия для будущего изучения солитонов-комков и нелинейных волн в целом.

«Наши результаты прокладывают путь для экспериментального исследования уравнения КП и его решений, обеспечивая высокую точность соответствия его аналитической форме», — говорит Диели.

ИИ: Это фундаментальное открытие в области нелинейной оптики, которое может найти применение в будущих технологиях передачи информации и квантовых вычислениях, где важна устойчивость сигнала.