Solitonen zijn zelfversterkende deeltjesachtige golfpakketten die mogelijk worden gemaakt door de balans tussen dispersie en niet-lineariteit. Komt voor in de hydrodynamica, lasers, koude atomen, en plasma's, solitonen worden gegenereerd wanneer een laserveld wordt opgesloten in een cirkelvormige resonator met ultralaag verlies, die meerdere solitonen produceert die rond de resonator reizen.

Normaal gesproken, deze solitons reizen met dezelfde snelheid, dus ze komen zelden dicht bij elkaar. Echter, wanneer solitonen op elkaar botsen, ze kunnen belangrijke fundamentele fysica van het systeem onthullen, inclusief de eigenschappen van de gastheerresonator en zijn niet-lineariteit. Wat dit betekent is dat het aantonen en beheersen van solitonbotsingen in optische microresonatoren een belangrijk doel is voor onderzoekers in niet-lineaire dynamica en solitonfysica.

Gepubliceerd in Fysieke beoordeling X , onderzoekers van het laboratorium van Tobias Kippenberg bij EPFL hebben nu een nieuwe en effectieve methode ontwikkeld voor het genereren van solitonbotsingen in microresonatoren. De benadering maakt gebruik van twee lasers om twee verschillende solitonsoorten te genereren - elke soort heeft een unieke reissnelheid - in een kristallijne fluisterende galerijmodusresonator.

De onderzoekers voeren twee laservelden in de microresonator in, het aandrijven van twee solitonsoorten waarvan de snelheidsmismatch flexibel kan worden gecontroleerd. Als resultaat, solitonen met verschillende snelheden botsen op elkaar.

Afhankelijk van het verschil tussen de snelheden van de solitons, verschillende solitonen kunnen met elkaar binden nadat ze botsen of elkaar kruisen. Aangezien elke botsing in een zeer korte tijd plaatsvindt, conventionele technieken kunnen individuele soliton-gedragingen niet oplossen.

Hier gebruikten de onderzoekers een pulstrein geproduceerd door hogesnelheidsmodulatoren om de solitonen te onderzoeken. De interferentie tussen de pulsen en de solitonen genereert elektronische signalen die kunnen worden geregistreerd en geanalyseerd, waardoor de onderzoekers de resultaten kunnen vergelijken met theoretische simulaties die de experimentele waarnemingen nauwkeurig voorspellen.

Dit fenomeen laat zien hoe robuust deze solitonen in optische microresonatoren kunnen zijn. "Tijdens de solitonbotsing kan de vorm van een individuele soliton aanzienlijk worden vervormd, en zijn energie vertoont dramatische trillingen, " legt Wenl Weng uit, de eerste auteur van de krant. "Nog, ze kunnen de sterke impact van de botsing overleven, en ze kunnen zich na de botsing met elkaar verenigen of van elkaar losmaken."

Het werk introduceert een handig maar krachtig platform om complexe soliton-interacties en voorbijgaande niet-lineaire dynamiek te bestuderen. Maar het kan ook helpen bij het genereren van gesynchroniseerde frequentiekammen en op soliton gebaseerde optische telecommunicatie. De botsings- en bindingsmechanismen kunnen worden gebruikt om frequentiekammen te construeren met onconventionele structuren voor optische metrologie, en om de bandbreedte van frequentiekammen in het algemeen te vergroten.