Μη-Γραμμική Δυναμική: Ανακαλύφθηκε νέος τύπος οπτικού σολιτόνιου από επιστήμονες του Caltech

Επιστήμονες υπό την καθοδήγηση του Kerry Vahala, καθηγητή του Ινστιτούτου Τεχνολογίας της Καλιφόρνιας (Caltech), ανακάλυψαν ένα νέο τύπο οπτικού σολιτόνιου που διαδίδεται στο κατόπιν άλλου σολιτόνιου, αξιοποιώντας το και τροφοδοτούμενο από την ενέργεια του άλλου. Η εργασία τους περιγράφεται στη μελέτη με τίτλο «Stokes solitons in optical microcavities», που δημοσιεύθηκε στις 5 Σεπτεμβρίου. Ο όρος «Stokes» (solitons) επιλέχθηκε από τον Vahala για τεχνικούς λόγους που έχουν να κάνουν με το πώς το νέο σολιτόνιο μεταγγίζει ενέργεια από το σολιτόνιο που το φιλοξενεί.

Τα σολιτόνια είναι εντοπισμένα κύματα που δρουν όπως τα σωματίδια: καθώς ταξιδεύουν μέσα στο χώρο, διατηρούν το σχήμα και τη μορφή τους μάλλον παρά διαλύονται όπως κάνουν τα άλλα κύματα. Ανακαλύφθηκαν το 1834 όταν ο Σκωτσέζος μηχανικός John Scott Russell παρατήρησε ένα ασυνήθιστο κύμα που διαμορφώθηκε μετά το απότομο σταμάτημα μιας φορτηγίδας στο Union Canal που ρέει μεταξύ Φάλκιρκ και Εδιμβούργου. Ο Russell (με το άλογο) παρακολούθησε το κύμα που προκλήθηκε για ένα ή δυο μίλια και παρατήρησε ότι διατήρησε το σχήμα του καθώς διαδίδονταν, μέχρι τελικά να το χάσει.

Αποκάλεσε την ανακάλυψή του «μοναχικό κύμα μεταφοράς». Μέχρι το τέλος του αιώνα, το φαινόμενο περιγράφηκε μαθηματικά, γεννώντας τελικά την έννοια του σολιτόνιου. Κάτω από κανονικές συνθήκες, τα κύματα τείνουν να διαλύονται καθώς διαδίδονται στο χώρο. Ο κυματισμός που θα προκύψει από τη ρίψη μιας πέτρας σε μια λιμνούλα θα αποσβεστεί καθώς θα εξαπλώνεται από το σημείο της πτώσης. Το σολιτόνιο, από την άλλη μεριά, όχι!

Πέρα από υδάτινα κύματα, τα σολιτόνια μπορούν να υπάρξουν ως κύματα φωτός. Η ομάδα του Kerry Vahala μελέτησε σολιτόνια φωτός έχοντάς τα να επανακυκλοφορούν επ’ αόριστον σε μικρομετρικής κλίμακας κυκλικά κυκλώματα αποκαλούμενα μικροκυματαγωγοί. Τα σολιτόνια έχουν εφαρμογές στη δημιουργία πολύ υψηλής ακρίβειας οπτικών χρονομετρητών και μπορούν να χρησιμοποιούνται σε μικροκυματικούς ταλαντωτές που χρησιμοποιούνται, μεταξύ άλλων πραγμάτων, για τα συστήματα πλοήγησης και ραντάρ.

Αλλά παρά τις δεκαετίες μελέτης, δεν παρατηρήθηκε ποτέ ένα σολιτόνιο συμπεριφερόμενο με ένα εξαρτώμενο – σχεδόν παρασιτικό – τρόπο. «Αυτό το νέο σολιτόνιο κινείται μαζί με άλλο σολιτόνιο – ουσιαστικά, στο κατόπιν του άλλου σολιτόνιου. Επίσης μεταγγίζει ενέργεια του άλλου σολιτόνιου έτσι ώστε να είναι αυτοϋποστηριζόμενο. Μπορεί τελικά να αυξηθεί περισσότερο από αυτό που το φιλοξενεί», λέει ο Vahala. Ο ίδιος παρομοιάζει τα νεοανακαλυφθέντα σολιτόνια με το ψάρι πιλότο, ένα σαρκοβόρο τροπικό ψάρι που κολυμπά ακολουθώντας έναν καρχαρία και έτσι μπορεί να μαζεύει τα απορρίμματα από τα γεύματα του καρχαρία.

Το νέο σολιτόνιο πρωτοπαρατηρήθηκε από τους Qi-Fan Yang και Xu Yi, δυο μεταπτυχιακούς σπουδαστές του Caltech. Εξαιτίας της ικανότητας του σολιτόνιου να ταιριάζει με τη θέση και το σχήμα του αρχικού σολιτόνιου, η αρχική αντίδραση των Yang και Yi για το κύμα ήταν να υποψιαστούν ότι υπήρχε δυσλειτουργία του εργαστηριακού εξοπλισμού.

Οι μικροκυματαγωγοί που ο Vahala και η ομάδα του χρησιμοποίησε περιλαμβάνουν μια είσοδο λέιζερ που παρέχει ενέργεια στα σολιτόνια. Αυτή η ενέργεια δεν απορροφάται απευθείας από το νέο σολιτόνιο (Stokes solitons) – το «ψάρι-πιλότος», αλλά καταναλώνεται από το σολιτόνιο – «καρχαρίας». Στη συνέχεια, όμως, ο Vahala και η ομάδα του βρήκαν, ότι η ενέργεια απορροφάται από το νέο σολιτόνιο (το «ψάρι-πιλότος»), το οποίο μεγαλώνει σε μέγεθος, ενώ το άλλο σολιτόνιο συρρικνώνεται.

Εικόνα κειμένου: Οπτικοί κυματαγωγοί όπου δημιουργήθηκαν τα σολιτόνια. Τα μοναχικά κύματα περιστρέφονται στους μικροσκοπικούς δίσκους με την ταχύτητα του φωτός. (Credit: Qi-Fan Yang/Caltech)

Πηγή: California Institute of Technology

Περισσότερα στην εργασία: Stokes solitons in optical microcavities. Nature Physics.