Solitonen zijn stabiele objecten die in evenwicht worden gehouden door diffractie of dispersie en niet-lineariteit. Een fundamentele uitdaging op dit gebied is de stabilisatie van solitonen in multidimensionale coördinaten, aangezien de 2-D en 3-D solitonen in de vrije ruimte altijd onstabiel zijn en respectievelijk kritische ineenstortingen ondergaan als gevolg van catastrofale zelffocusserende niet-lineariteit.

De stabilisatie van multidimensionale gelokaliseerde toestanden is meestal afhankelijk van lineaire periodieke media met uniforme niet-lineariteit. Hoewel niet-lineaire roosters met vloeiende variatie van niet-lineariteit verschillende soorten solitonen kunnen ondersteunen. Echter, bestaan ​​en stabiliteitseigenschappen van solitonen met kubieke-quintische niet-lineariteiten en 2-D lineair periodiek potentieel moeten nog worden onthuld. Is er een model of methode om kritieke ineenstorting van solitonen van hogere orde te voorkomen?

Een onderzoeksteam onder leiding van Prof. Dr. Zeng Jianhua van het Xi'an Institute of Optics and Precision Mechanics (XIOPM) van de Chinese Academie van Wetenschappen (CAS) stelt een haalbaar schema voor om 2-D gelokaliseerde modi te stabiliseren tegen kritieke ineenstorting door rekening te houden met de fractionele diffractievolgorde naar lichtvoortplanting in periodieke fysieke systemen met concurrerende zelffocusserende en zelf-defocusserende niet-lineariteiten in kubieke-kwanttische niet-lineaire termen. Het resultaat is gepubliceerd in Communicatie Fysica .

Ze stellen theoretisch een raamwerk voor van 2-D niet-lineaire fractionele Schrödingervergelijking (NLFSE), die de kritieke ineenstorting kan onderdrukken. Ze onthullen dat het model een verscheidenheid aan stabiele solitonfamilies produceert, inclusief 2-D fundamentele gap en verticale solitonen evenals gap soliton clusters (solitonen zijn altijd onstabiel in het quintic-only model).

Een gedetailleerd inzicht in de dynamische eigenschappen van solitonen laat verder zien dat de solitonen robuust stabiel zijn in het midden van de bandgaps van het onderliggende lineaire Bloch-spectrum, terwijl onstabiel nabij de randen van de bandhiaten; en de stabiliteit van de solitonen wordt matig beïnvloed door niet-lineaire sterkte.

De opmerkelijke ontdekking biedt een nieuwe weg om het bestaan ​​en de dynamische eigenschappen van 2-D gelokaliseerde modi te onderzoeken door de diffractievolgorde en afstembare bandhiaten van de periodieke fysieke systemen te beheren.