Solitons är självförstärkande partikelliknande vågpaket som möjliggörs av balansen mellan dispersion och olinearitet. Förekommer inom hydrodynamik, lasrar, kalla atomer, och plasma, solitoner genereras när ett laserfält är begränsat i en cirkulär resonator med extremt låg förlust, som producerar flera solitoner som reser runt resonatorn.

I vanliga fall, dessa solitons reser med samma hastighet, så de kommer sällan nära varandra. Dock, när solitons kolliderar med varandra, de kan avslöja viktig grundläggande fysik i systemet, inklusive egenskaperna hos värdresonatorn och dess olinearitet. Vad detta betyder är att demonstrera och kontrollera solitonkollisioner i optiska mikroresonatorer är ett stort mål för forskare inom olinjär dynamik och solitonfysik.

Publicerad i Fysisk granskning X , forskare vid Tobias Kippenbergs laboratorium vid EPFL har nu utvecklat en ny och effektiv metod för att generera solitonkollisioner i mikroresonatorer. Metoden använder två lasrar för att generera två olika solitonarter - varje art har en unik färdhastighet - i en kristallin viskande gallerilägesresonator.

Forskarna matar in två laserfält i mikroresonatorn, driver två soliton -arter vars hastighetsfel kan flexibelt kontrolleras. Som ett resultat, solitoner med olika hastigheter kolliderar med varandra.

Beroende på skillnaden mellan solitons hastigheter, olika solitons kan antingen binda med varandra efter att de kolliderat eller korsa varandra. Eftersom varje kollision sker på mycket kort tid, konventionella tekniker kan inte lösa enskilda solitonbeteenden.

Här använde forskarna ett pulståg som producerats av höghastighetsmodulatorer för att sondera solitonerna. Interferensen mellan pulserna och solitonerna genererar elektroniska signaler som kan registreras och analyseras, låta forskarna jämföra resultaten med teoretiska simuleringar som exakt förutsäger de experimentella observationerna.

Detta fenomen visar hur robusta dessa solitoner i optiska mikroresonatorer kan vara. "Under solitonkollisionen kan en individuell solitons form förvrängas avsevärt, och dess energi uppvisar dramatiska vibrationer, "förklarar Wenle Weng, tidningens första författare. "Än, de kan överleva den kraftiga påverkan från kollisionen, och de kan förena sig med eller lossna från varandra efter kollisionen. "

Arbetet introducerar en bekväm men ändå kraftfull plattform för att studera komplexa soliton -interaktioner och övergående olinjär dynamik. Men det kan också hjälpa till att skapa synkroniserade frekvenskammar och solitonbaserade optiska telekommunikationer. Kollisions- och bindningsmekanismerna kan användas för att konstruera frekvenskammar med okonventionella strukturer för optisk metrologi, och för att förbättra bandbredden för frekvenskammar i allmänhet.