Итальянским физикам впервые удалось создать трехмерный узелковый солитон — высокоустойчивый пакет световых волн. Он может перемещаться в пространстве и взаимодействовать с аналогичными структурами, сохраняя первоначальную конфигурацию. Группа ученых под руководством Людовики Диели из Университета Сапиенца в Риме использовала специально изготовленный кристалл, реакция которого на падающий свет контролировалась внешним напряжением, пишет Phys.org.
Солитон представляет собой короткую локализованную волну, способную сохранять свою структуру практически бесконечно, даже при взаимодействии с другими волнами. Подобное явление становится возможным лишь тогда, когда выполняется условие интегрируемости — специального математического понятия, возникающего в системах с множеством сохраняемых величин (энергия, импульс). Такие величины сохраняются неизменными, делая систему устойчивее к разрушающим факторам вроде турбулентности и искажений.
Ранее подобные интегрируемые солитоны удавалось наблюдать исключительно в одноразмерных средах, где распространение происходило линейно. Но еще в 1970-х годах советские ученые предложили новый класс солитонов, известных как комковые солитоны, способные существовать в трехмерном пространстве. Их существование предсказывалось уравнением Кадомцева—Петвиашвили. Несмотря на привлекательность идеи, подтвердить наличие таких структур на практике оказалось крайне сложно.
Диели и ее коллеги решили проблему с помощью уникального материала — кристалла ниобата стронция-бария, чьи фоторефракционные свойства позволяли детально управлять поведением света внутри кристаллической структуры. Под воздействием приложенного напряжения ученые могли создавать специфический режим распространения, называемый «фотонной жидкостью». Это состояние позволяет лучу вести себя подобно жидкостям. При помощи точной настройки интенсивности и фазы света команде удалось добиться возникновения устойчивого трехмерного солитонного состояния. Условия эксперимента позволили зафиксировать устойчивое сохранение солитона даже при встрече с другим аналогичным объектом, двигающимся навстречу.
Таким образом, ученым удалось воспроизвести на практике принципиально новое явление, долгое время остававшееся уделом теории. «Полученный нами узелковый солитон обладает уникальной способностью сохранять свою аналитическую форму, двигаясь в трехмерном пространстве и сталкиваясь с такими же объектами», — поясняет Диели. Она подчеркивает важность достижения команды для дальнейших экспериментов и изучения свойств нелинейных волн.
Ранее физики наблюдали необычное поведение квантовой системы. Ученые неоднократно воздействовали на квантовую систему короткими лазерными вспышками, ожидая ее нагрева и перехода в беспорядочное состояние. Вместо этого атомы резко перестали поглощать энергию и зафиксировались в стабильном режиме движения.
