Солитоны – это локализованные волны, которые действуют как частицы: перемещаясь в пространстве, они сохраняют свою форму и форму, а не рассеиваются, как другие волны. Впервые они были обнаружены в 1834 году, когда шотландский инженер Джон Скотт Рассел заметил необычную волну, образовавшуюся после внезапной остановки баржи на канале Юнион, курсирующем между Фолкерк и Эдинбургом.
Рассел проследил образовавшуюся волну на протяжении одной или двух миль и отметил, что она сохраняла свою форму во время движения, пока он в конце концов не потерял ее из виду.
Он назвал свое открытие «волной перевода.«К концу века это явление было описано математически, что в конечном итоге привело к появлению концепции солитонной волны. В нормальных условиях волны имеют тенденцию рассеиваться при перемещении в космосе.
Бросьте камень в пруд, и рябь постепенно утихнет по мере удаления от точки удара. Солитоны же не.
Помимо волн на воде, солитоны могут возникать как световые волны. Команда Вахалы изучает световые солитоны, заставляя их бесконечно рециркулировать в круговых схемах микрометрового масштаба, называемых оптическими микрополостями.
Солитоны находят применение в создании высокоточных оптических часов и могут использоваться в микроволновых генераторах, которые, среди прочего, используются в навигационных и радиолокационных системах.
Но, несмотря на десятилетия исследований, солитон никогда не наблюдал зависимого – почти паразитного – поведения.
"Этот новый солитон движется вместе с другим солитоном – по сути, вслед за другим солитоном. Он также сифонирует энергию другого солитона, так что он самоподдерживается.
Со временем он может вырасти больше своего хозяина », – говорит Вахала, профессор информационных наук, технологий и прикладной физики Теда и Джинджер Дженкинс, а также исполнительный директор по прикладной физике и материаловедению в Отделе инженерии и прикладных наук.
Вахала сравнивает эти недавно обнаруженные солитоны с рыбами-пилотами, хищными тропическими рыбами, которые плавают рядом с акулой, чтобы собирать остатки еды акулы. А плывя по следу акулы, рыба-лоцман уменьшает сопротивление воды на собственном теле, поэтому они могут путешествовать с меньшими усилиями.
Вахала – автор статьи в журнале Nature Physics, в которой объявляется и описывается новый тип солитона, получивший название «солитон Стокса."(Название" Стокса "было выбрано по техническим причинам, связанным с тем, как солитонный сифон передает энергию хоста.) Новый солитон впервые наблюдали аспиранты Калифорнийского технологического института Ци-Фань Ян и Сюй И. Из-за способности солитона точно соответствовать положению и форме исходного солитона, первоначальной реакцией Янга и И на волну было подозрение, что лабораторные приборы работают неправильно.
"Мы подтвердили, что сигнал не является артефактом оборудования, наблюдая сигнал на двух спектрометрах.
Затем мы поняли, что это реально, и должны были выяснить, почему новый солитон самопроизвольно появляется вот так, – говорит Ян.
Микрополости, которые используют Вахала и его команда, включают вход лазера, который обеспечивает солитоны энергией. Эта энергия не может быть непосредственно поглощена солитоном Стокса – «рыбой-лоцманом».«Вместо этого энергия потребляется солитоном« акула ». Но затем, как обнаружили Вахала и его команда, энергия уносится солитоном рыбы-лоцмана, который увеличивается в размерах, в то время как другой солитон сжимается.
«Как только мы поняли, что среда, необходимая для поддержания нового солитона, на самом деле стало возможным спроектировать микрополости, чтобы гарантировать их формирование и даже их свойства, такие как длина волны – по сути, цвет», – говорит Йи.
И и Ян сотрудничали с аспирантом Ки Юл Янгом в исследовании.