Solitony jsou klíčovým prvkem nelineární optiky i dalších nelineárních vlnových systémů a teoretici už dlouhou dobu předpovídali, že se mohou vázat dohromady a vytvářet útvary podobné molekulám. Německým a americkým fyzikům se tento předpoklad nyní podařilo experimentálně potvrdit. Dosáhli tak významného pokroku v pochopení dynamiky dvojic a dokonce i trojic solitonů.
Pokud se budete pídit po tom, co to vlastně solitony jsou, ve všech pramenech narazíte na následující historku. Skotský inženýr John Russell, který byl nejen vynikajícím fyzikem a konstruktérem, ale také vynálezcem a politikem, testoval na kanálu Union, který spojoval Edinburgh a Glasgow, nové čluny. V srpnu 1834 učinil mimořádný objev. Díval se na člun, který kanálem táhl pár koní klusajících na břehu. Člun se náhle zastavil, nikoliv však voda, která byla tlačena před přídí loďky. Ta pokračovala v samostatném pohybu a zformovala se do osamocené vzedmuté vlny s hladkým kulatým tvarem. Vlnu dlouhou kolem osmi metrů a vysokou asi půl metru Russell na koni předjel a zjistil, že se valí stále stejnou rychlostí kolem 12 km za hodinu a neztrácí svůj tvar.
Solitonové vlny byly dlouho považovány za výmysl. Obvyklé vlny v přírodě postupně slábnou a rozptylují se. Až v roce 1895 napsali holandský matematik Diederik Korteweg a jeho student Gustav de Vries rovnici pro vodní vlny v obdélníkovém kanále a rigorózně předvedli, že tato rovnice má skutečně solitonové řešení.
Solitony však nejsou jen matematická a fyzikální hříčka. Dnes se využívají například pro komunikaci po optických vláknech, kde světelné vlny urazí beze ztrát tvaru tisíce kilometrů. K solitonům se řadí některé typy vln tsunami. Jsou známy i solitony v plazmatu. Rudá skvrna na Jupiteru, která se pohybuje v rovníkové oblasti planety, by k solitonům také mohla patřit. Stejně tak kulový blesk nebo bubliny, které v zemské magnetosféře objevila družice Double Star. Příkladů je ještě mnohem víc. Solitony jsou zkrátka hitem moderní fyziky.
Světlo se v optických vláknech standardně chová jako lineární součet jeho frekvenčních složek. Laserové pulzy se proto postupně rozšiřují: různé frekvence se ve vlákně šíří různou rychlostí. Při vysokých výkonech se však index lomu vlákna stává nelineární, takže pulzy o vyšší intenzitě se šíří pomaleji. To způsobuje, že se pulzy tlačí dohromady. Za určitých specifických podmínek se mohou oba efekty vyrovnávat a vytvářet solitony, to znamená vlny, které se šíří bez rozptylu. Tyto nelineární efekty mohou zapříčinit, že se různé pulzy vzájemně ovlivňují a mohou dokonce vytvářet vázané stavy, tedy solitonové molekuly.
Solitonové molekuly byly zjištěny v laserových dutinách již dříve, ale solitonové páry v konstantním vzájemném pohybu nikdy předtím v reálném čase pozorovány nebyly. K tomu je totiž zapotřebí měřit optické spektrum každého laserového záblesku, a to je v případě solitonů, odrážejících se dopředu a dozadu rychlostí světla, prakticky neproveditelné.
Ve své nové práci popsali fyzici z Los Angeles spolu s německými kolegy důmyslnou a relativně jednoduchou techniku, kterou nazvali „spektrální interferometrie v reálném čase“. Pokaždé když se solitony odrazí od parciálního zrcadla příslušné laserové dutiny, malá část světla unikne do kilometr dlouhého optického vlákna. Tato velmi malá část energie nemá dostatečnou intenzitu pro vytváření nelineárních efektů ve vlákně, takže pulzy právě vnímají disperzi. Pulzy se tak rozptylují v čase, než dojde k jejich překrytí. Když se překryjí, tak interagují a do spektra se zakóduje původní načasování. To umožní fyzikům zachytit postup vývoje solitonů s rychlostí „závěrky“ v řádu několika nanosekund.
Fyzikům se tak poprvé podařilo vytvořit dva solitony v optické dutině a přiblížit je vzájemně tak, že vytvoří statický vázaný stav. Dokázali pozorovat solitony s určitou pevnou relativní polohou, ale s kontinuálně se vyvíjející relativní fází. Podařilo se vytvořit i solitony s kontinuálně se měnící relativní polohou. První pulz je intenzivnější, kvůli nelineárnímu indexu lomu se šíří o něco pomaleji, takže druhý pulz ho dostihne. Když se dostanou dostatečně blízko sebe, jiný nelineární efekt způsobí jejich opětné oddálení. Tento druh vzájemného kontaktu může probíhat nepřetržitě a to, co najdeme v získaných datech, jsou dva pulzy kontinuálně měnící svou vzdálenost. Tým pozoroval také solitonový triplet při velmi vysokých intenzitách a zjistil, že když se výkon o něco sníží, stane se z tripletu dvojice solitonů.
Na řadě je teď podrobnější studium. Ve fyzice totiž existuje daleko víc jevů, které jsou s touto dynamikou spojeny. Nové experimentální zařízení slouží jako „analogový simulátor“ solitonové dynamiky, která se objevuje i v jiných fyzikálních systémech. Některé z nich, jako je Bose-Einsteinův kondenzát v ultrachladných plynech, jsou pro experimentální studium mnohem obtížnější. Pokud jsou fyzici schopni řídit časový posun mezi dvěma pulzy, může to být užitečné třeba při sledování velmi rychlých dynamických jevů během chemických reakcí.
Výzkum byl popsán v časopise Science.
Mohlo by vás zajímat:
Chová
se mozek podobně jako spinová skla?
Molekulární
motory pohánějí kapalinu v metrovém potrubí
Nejrychlejší
elektronický přepínač
Nový
materiál, který odolává vodě