Mønstre, der typisk observeres i vand, kan også findes i lys

Nogle gange på lavt vand, der kan dannes en bølgetype, der er meget mere stabil end almindelige bølger. Kaldes solitons, disse fænomener dukker op som ensomme bølger og kan rejse lange afstande og samtidig bevare deres form og hastighed, selv efter at de er kollideret med andre bølger.

Imidlertid, i visse tilfælde kan soliton -kollisioner generere komplicerede bølgemønstre, undertiden kaldet "alfabetbølger", da de ligner bogstaverne X, Y, og H, samt kombinationer af disse former. Solitonbølger og deres kollisionsmønstre har fascineret forskere lige siden de blev opdaget i 19 ^th århundrede.

Nu i en ny undersøgelse, forskere har opdaget, at de samme mønstre i vandbølger også opstår ved kollisioner af optiske solitons (lysbølger med de samme stabile egenskaber). Forskerne viser, at den samme ligning, kaldet Kadomtsev-Petviashvili II (KPII) ligningen, der bruges til at modellere vand -soliton -interaktioner kan også bruges til at modellere optiske soliton -interaktioner, afslører en tæt forbindelse mellem bølgedynamikken for vand og lys.

Theodoros P. Horikis, på Institut for Matematik, University of Ioannina, og Dimitrios J. Frantzeskakis, på Institut for Fysik, University of Athens, har udgivet et papir om mønstrene i optiske solitons i et nyligt nummer af Proceedings of the Royal Society A .

"Vi har alle været på en strand og bemærket de indviklede mønstre, som bølger danner i de lave, nær kysten:smuk X-, Y-, og selv H-formede bølgeformer dukker ofte op af samspillet mellem lige bølger, "Fortalte Horikis Phys.org . "Bemærkelsesværdigt, disse fænomener er fuldt ud forstået og kan beskrives matematisk i detaljer ved hjælp af passende matematiske modeller. Overfladespænding, hvilket er fænomenet, der får væsker til at minimere det område, de indtager, spiller en stor rolle i dannelsen af ​​X-, Y-, og H-formede bølger. I vand, overfladespændingen er lille, i kviksølv, for eksempel, overfladespændingen er stor.

"Vi har vist, at optisk solitonudbredelse i ikke -lokale medier - som inkluderer plasmaer, nematiske flydende krystaller og flydende opløsninger med termiske ikke -lineariteter - styres af den samme model, der bruges til at beskrive lavt vand, med ikke -lokalitet, der spiller rollen som overfladespænding. Dermed, Ja, 'lys møder vand, 'som vi forudsiger, at X-, Y-, H-formet, og endnu mere komplicerede bølgestrukturer, som vi observerer på flade strande, kan også observeres i optik, som optiske stråler, der formerer sig i ikke -lokale ikke -lineære medier. "

Som forskerne forklarede, et optisk medium er ikke -lokalt, når dets reaktion på lys ikke kun afhænger af den position, hvor det eksterne optiske felt anvendes (som i et lokalt medium), men også på den samlede overflade og volumen af ​​mediet. I ikke -lokale medier, lys, der rammer på et bestemt tidspunkt, føres væk til det omkringliggende område, så en smal lokaliseret optisk stråle kan fremkalde en rumligt bred reaktion af mediet. Analogien mellem den svage overfladespænding af vand og stærk ulokalitet i visse optiske medier er det, der muliggør beskrivelsen af ​​optiske solitons med hensyn til KPII -ligningen.

"Det, der er vigtigt i vores artikel, er, at disse to fænomener, ikke -lokalitet i optik og overfladespænding i vand, synes at have en en-til-en korrespondance, så at sige, "Sagde Horikis." Det er vigtigt, optiske solitons, der ville være ustabile i medier med svag ikke -lokalitet, eller i væsker med stærk overfladespænding (f.eks. kviksølv), kan blive stabil i stærkt ikke -lokale optiske medier. På grund af denne vigtige stabiliseringseffekt forårsaget af den stærke ulokalitet, værtens optiske medium kan understøtte solitons meget som overfladen af ​​vand, hvis kontakt med luft fungerer som et tyndt elastisk ark, hvorpå disse 'alfabetbølger' kan dannes! "

Baseret på dette resultat, forskerne brugte numeriske simuleringer til at modellere kollisioner af to eller tre optiske solitons. Ligesom vand soliton -sagen, de fandt ud af, at X-, Y-, og H-formede bølger dukkede op, og også at vinklen på interagerende solitons fører til forskellige mønstre.

Forskerne forventer, at det kan være muligt at eksperimentelt observere disse optiske solitonmønstre ved hjælp af teknologi, der for nylig blev brugt til at observere individuelle solitons. Dette ville kræve at kombinere to solitons inde i et ikke -lokalt medium - f.eks. en nematisk flydende krystal - mens man bruger spejle til at styre vinklen mellem de to lysstråler, der bruges til at generere solitonerne.

Deres fund tyder på, at det i fremtiden også kan være muligt at finde endnu mere indviklede mønstre, såsom web-lignende strukturer af bølger, ved kollisioner af optiske solitons. De planlægger også at undersøge, om andre meget ikke -lokale systemer, såsom Bose-Einstein-kondensater (makroskopiske kvantesystemer sammensat af ultrakølede atomer) og kolloider (blandinger indeholdende partikler suspenderet i opløsning), kan også tilvejebringe de nødvendige ingredienser til at understøtte fremkomsten af ​​disse mønstre.

© 2019 Science X Network