Optische solitonen zijn niet-lineaire optische golfpakketten die hun profiel tijdens voortplanting kunnen behouden, zelfs bij matige verstoringen. Ze bieden nuttige toepassingen in optische communicatie, volledig optische informatieverwerking en ultrasnelle lasertechnieken.

De interacties tussen optische solitonen vertonen veel deeltjesachtige eigenschappen, en zijn al tientallen jaren uitgebreid onderzocht. De gebonden toestanden van optische solitonen in niet-lineaire dissipatieve systemen blijken unieke materie-licht-analogieën te vertonen en worden belichaamd door de "soliton-moleculen" - compacte multi-soliton-structuren die zich voortplanten als invariante afzonderlijke entiteiten.

De dynamiek van soliton-moleculen heeft brede belangstelling gewekt, vooral de synthese en dissociatie van solitonmoleculen die doen denken aan chemische reacties. Echter, de studie van soliton-moleculen was meestal gebaseerd op ongecontroleerde willekeurige excitaties, en heeft lang een plateau bereikt op het niveau van één object, zonder de stochastische en statistische eigenschappen te onderzoeken die gepaard gaan met enorme aantallen solitonen, waardoor het moeilijk is om onderzoek op een hoger niveau van de dynamiek van meerdere solitonen uit te voeren.

In een nieuw artikel gepubliceerd in Lichtwetenschap en toepassing , een team van wetenschappers, onder leiding van Dr. Wenbin He en Dr. Meng Pang in de afdeling Prof. Philip Russell van het Max Planck Institute for the Science of Light heeft een uniek platform ontwikkeld, "parallelle optische-soltonreactoren", die massaal dynamische gebeurtenissen van solitonmoleculen kan hosten.

Dergelijke parallelle reactoren, die op chemische reactoren lijken, kan meerdere solitonen isoleren en hosten, en vervolgens hun interacties manipuleren via verschillende volledig optische methoden. Wanneer honderden van dergelijke parallelle reactoren gelijktijdig worden gebruikt met zorgvuldig voorbereide begintoestanden en controletechnieken, on-demand synthese en dissociaties van solitonmoleculen kunnen in grote aantallen worden gestart, het ontvouwen van een nieuw panorama van multi-soliton dynamiek die stochastisch van aard is.

Bovendien, statistische regels kunnen worden afgeleid uit de massaal parallelle reacties, regels die sterk lijken op de klassieke chemische kinetiek, het promoten van de conventionele materie-licht analogie naar een collectief niveau. Deze resultaten brengen een hoger inzicht in de solitondynamiek die zowel fundamenteel onderzoek als praktische toepassingen ten goede kan komen.

De parallelle optische-solitonreactoren zijn gebaseerd op een uniek optomechanisch rooster dat is gemaakt met behulp van een opto-akoestische mode-locked fiberlaser. Het belangrijkste onderdeel is eigenlijk slechts een kort stukje fotonische kristalvezel (PCF) - een speciale microgestructureerde optische vezel met een microkern omgeven door een reeks holle kanalen.

"Opto-akoestische modus-vergrendelde fiberlasers op basis van micro-core PCF's, " leggen de wetenschappers uit, "die al vele jaren in ons laboratorium worden ontwikkeld, gebruik maken van de verbeterde opto-akoestische interacties in de micro-core PCF. Wanneer geplaatst in een conventionele fiberlaser met modusvergrendeling, de PCF zorgt voor een akoestische resonantie, meestal op GHz-snelheid, waardoor de meterslange vezelholte effectief kan worden verdeeld in honderden tijdsleuven, elk corresponderend met één akoestische trillingscyclus, wat leidt tot de vorming van een optomechanisch rooster. Elk tijdslot, of 'roostercel' kan meerdere solitonen herbergen die geïsoleerd zijn van andere tijdslots en kunnen worden gemanipuleerd, functioneren als veel parallelle reactoren waarin de reactanten optische solitonen zijn in plaats van echte atomen en moleculen."

"De belangrijkste doorbraak van dit werk is de on-demand controle van de soliton-interacties in elke parallelle reactor die wordt gehost door het optomechanische rooster. We hebben de methoden in twee typen ingedeeld. Een ervan vertrouwde op verstoringen van de laserholte die alle reactoren tegelijkertijd beïnvloeden, wat 'global control' wordt genoemd. De andere gebruiken externe adresseringspulsen om verstoringen op geselecteerde reactoren te induceren zonder de andere te beïnvloeden, wat 'individuele controle' wordt genoemd. Fase-ongecorreleerde soliton-interacties op lange afstand spelen een belangrijke rol in dergelijke gecontroleerde interactie. De gecontroleerde synthese en dissociatie van soliton-moleculen wordt mogelijk gemaakt door zorgvuldige afstemming van de lange-afstands-soliton-interacties."

"Door zorgvuldige afstelling van de laserholte, we hebben met succes honderden soliton-molecuulsynthese / dissociatie-evenementen parallel gestart. We hebben de dispersieve Fourier-transformatie (DFT) -methode gebruikt om de voorbijgaande multi-soliton-dynamiek in elke reactor vast te leggen. Door deze massaal parallelle gebeurtenissen te analyseren die in het experiment zijn vastgelegd, die in eerdere onderzoeken niet beschikbaar waren, we hebben veel kenmerken van multi-soliton-dynamiek onthuld, inclusief een paar statistische regels die klassieke chemische kinetiek nabootsen, suggereert een collectief-niveau materie-licht analogie."

"De gepresenteerde techniek bood een reeks nieuwe mogelijkheden voor het bestuderen van optische solitonen. Veel fenomenen met betrekking tot solitondynamica kunnen mogelijk opnieuw worden onderzocht met behulp van zo'n parallel-reactorschema om inzicht op collectief niveau te krijgen. De verschillende regeltechnieken, vooral de individuele controlemethoden die selectieve bewerking van multi-soliton-toestanden mogelijk maakten, kan potentieel nuttig zijn in optische informatietechnologie die solitons als bitdragers gebruikt. We verwachten dat het concept van parallelle reactoren ook op andere platforms zal worden gerealiseerd, bijv. met behulp van een enorm scala aan micro-resonatoren", voorspellen de wetenschappers.