Ibland på grunt vatten, en typ av våg kan bildas som är mycket stabilare än vanliga vågor. Kallas solitons, dessa fenomen uppstår som ensamma vågor och kan resa långa sträckor samtidigt som de behåller sin form och hastighet, även efter att ha kolliderat med andra vågor.

Dock, i vissa fall kan solitonkollisioner generera komplicerade vågmönster, kallas ibland "alfabetvågor" eftersom de liknar bokstäverna X, Y, och H, såväl som kombinationer av dessa former. Solitonvågor och deras kollisionsmönster har fascinerat forskare ända sedan de upptäcktes på 19 ^th århundrade.

Nu i en ny studie, forskare har upptäckt att samma mönster i vattenvågor också uppstår vid kollisioner av optiska solitoner (ljusvågor med samma stabila egenskaper). Forskarna visar att samma ekvation, kallad Kadomtsev-Petviashvili II (KPII) ekvation, som används för att modellera vattensolitoninteraktioner kan också användas för att modellera optiska solitoninteraktioner, avslöjar ett nära samband mellan vågdynamiken hos vatten och ljus.

Theodoros P. Horikis, vid Matematiska institutionen, University of Ioannina, och Dimitrios J. Frantzeskakis, vid institutionen för fysik, Atens universitet, har publicerat en artikel om mönstren i optiska solitoner i ett färskt nummer av Proceedings of the Royal Society A .

"Vi har alla varit på en strand och lagt märke till de invecklade mönstren som vågor bildar i det grunda, nära strandlinjen:vackra X-, Y-, och även H-formade vågformer dyker ofta upp ur samspelet mellan raka vågor, " berättade Horikis Phys.org . "Anmärkningsvärt nog, dessa fenomen är fullt förstådda och kan beskrivas matematiskt i detalj med hjälp av lämpliga matematiska modeller. Ytspänning, vilket är fenomenet som får vätskor att minimera det område de upptar, spelar en stor roll i bildandet av X-, Y-, och H-formade vågor. I vatten, ytspänningen är liten, i kvicksilver, till exempel, ytspänningen är stor.

"Vi har visat att optisk soliton-förökning i icke-lokala medier - som inkluderar plasma, nematiska flytande kristaller och flytande lösningar med termisk olinjäritet - styrs av samma modell som används för att beskriva grunt vatten, med icke-lokalitet som spelar rollen som ytspänning. Således, verkligen, "ljus möter vatten, som vi förutspår att X-, Y-, H-formad, och ännu mer komplicerade vågstrukturer som vi observerar på platta stränder kan också observeras i optik, som optiska strålar som utbreder sig i icke-lokala icke-linjära media."

Som forskarna förklarade, ett optiskt medium är icke-lokalt när dess reaktion på ljus inte bara beror på den position där det externa optiska fältet appliceras (som i ett lokalt medium), men också på mediets totala yta och volym. I icke-lokala medier, ljus som träffar vid en viss punkt förs bort till den omgivande regionen, så att en smal lokaliserad optisk stråle kan inducera ett spatialt brett svar hos mediet. Analogin mellan den svaga ytspänningen hos vatten och stark icke-lokalitet i vissa optiska medier är vad som möjliggör beskrivningen av optiska solitoner i termer av KPII-ekvationen.

"Vad som är viktigt i vår artikel är att dessa två fenomen, icke-lokalitet i optik och ytspänning i vatten, verkar ha en en-till-en korrespondens, så att säga, " sa Horikis. "Viktigt, optiska solitoner som skulle vara instabila i media med svag icke-lokalitet, eller i vätskor med stark ytspänning (som kvicksilver), kan bli stabil i starkt icke-lokala optiska medier. På grund av denna viktiga stabiliseringseffekt som induceras av den starka icke-lokaliteten, det optiska värdmediet kan stödja solitoner ungefär som vattenytan, vars kontakt med luft fungerar som ett tunt elastiskt ark på vilket dessa "alfabetvågor" kan bildas!"

Baserat på detta resultat, forskarna använde numeriska simuleringar för att modellera kollisioner av två eller tre optiska solitoner. I likhet med vattensolitonfallet, de fann att X-, Y-, och H-formade vågor uppstod, och även att vinkeln för interagerande solitoner leder till olika mönster.

Forskarna förväntar sig att det kan vara möjligt att experimentellt observera dessa optiska solitonmönster genom att använda teknologi som nyligen använts för att observera individuella solitoner. Detta skulle kräva att man kombinerar två solitoner i ett icke-lokalt medium – till exempel, en nematisk flytande kristall – samtidigt som speglar används för att kontrollera vinkeln mellan de två ljusstrålarna som används för att generera solitonerna.

Deras resultat tyder på att det i framtiden också kan vara möjligt att hitta ännu mer invecklade mönster, såsom webbliknande strukturer av vågor, vid kollisioner av optiska solitoner. De planerar också att undersöka om andra mycket icke-lokala system, såsom Bose-Einstein-kondensat (makroskopiska kvantsystem som består av ultrakalla atomer) och kolloider (blandningar som innehåller partiklar suspenderade i lösning), kan också tillhandahålla de nödvändiga ingredienserna för att stödja uppkomsten av dessa mönster.

© 2019 Science X Network