Parfois en eau peu profonde, un type d'onde peut se former qui est beaucoup plus stable que les ondes ordinaires. Appelés solitons, ces phénomènes émergent comme des ondes solitaires et peuvent parcourir de longues distances tout en conservant leur forme et leur vitesse, même après avoir heurté d'autres vagues.

Cependant, dans certains cas, les collisions de solitons peuvent générer des modèles d'ondes complexes, parfois appelées "vagues de l'alphabet" car elles ressemblent aux lettres X, Oui, et H, ainsi que des combinaisons de ces formes. Les ondes solitons et leurs modèles de collision ont fasciné les scientifiques depuis leur découverte au 19 ^e siècle.

Maintenant dans une nouvelle étude, les chercheurs ont découvert que ces mêmes motifs dans les ondes d'eau émergent également dans les collisions de solitons optiques (ondes lumineuses ayant les mêmes propriétés stables). Les chercheurs montrent que la même équation, appelée équation de Kadomtsev-Petviashvili II (KPII), qui est utilisé pour modéliser les interactions solitons eau peut également être utilisé pour modéliser les interactions solitons optiques, révélant un lien étroit entre la dynamique ondulatoire de l'eau et de la lumière.

Théodoros P. Horikis, au département de mathématiques, Université de Ioannina, et Dimitrios J. Frantzeskakis, au Département de physique, Université d'Athènes, ont publié un article sur les motifs dans les solitons optiques dans un récent numéro de Actes de la Royal Society A .

"Nous avons tous été sur une plage et avons remarqué les motifs complexes que les vagues forment dans les eaux peu profondes, près du rivage :beau X-, O-, et même des formes d'onde en forme de H émergent fréquemment de l'interaction d'ondes droites, " dit Horikis Phys.org . "Remarquablement, ces phénomènes sont parfaitement compris et peuvent être décrits mathématiquement en détail à l'aide de modèles mathématiques appropriés. Tension superficielle, qui est le phénomène qui amène les fluides à minimiser la surface qu'ils occupent, joue un rôle majeur dans la formation de X-, O-, et des vagues en forme de H. Dans l'eau, la tension superficielle est faible, tandis que dans le mercure, par exemple, la tension superficielle est grande.

"Nous avons montré que la propagation optique des solitons dans des milieux non locaux, qui incluent les plasmas, cristaux liquides nématiques et solutions liquides avec des non-linéarités thermiques - est régi par le même modèle que celui utilisé pour décrire les eaux peu profondes, la non-localité jouant le rôle de tension superficielle. Ainsi, En effet, 'la lumière rencontre l'eau, ' comme nous prédisons que X-, O-, en forme de H, et des structures de vagues encore plus compliquées que nous observons dans les plages plates peuvent également être observées en optique, comme des faisceaux optiques se propageant dans des milieux non linéaires non locaux."

Comme l'ont expliqué les chercheurs, un milieu optique est non local lorsque sa réponse à la lumière ne dépend pas seulement de la position où le champ optique externe est appliqué (comme dans un milieu local), mais aussi sur la surface totale et le volume du milieu. Dans les médias non locaux, la lumière qui frappe à un certain point est emportée vers la région environnante, de sorte qu'un faisceau optique localisé étroit peut induire une réponse spatialement large du milieu. L'analogie entre la faible tension superficielle de l'eau et la forte non-localité dans certains milieux optiques est ce qui permet la description des solitons optiques en termes de l'équation KPII.

"Ce qui est important dans notre article, c'est que ces deux phénomènes, non-localité en optique et tension superficielle dans l'eau, semblent avoir une correspondance un à un, pour ainsi dire, " dit Horikis. " Surtout, des solitons optiques qui seraient instables dans des milieux à faible non-localité, ou dans des fluides à forte tension superficielle (comme le mercure), peut devenir stable dans des supports optiques fortement non locaux. En raison de cet important effet de stabilisation induit par la forte non-localité, le support optique hôte peut supporter des solitons tout comme la surface de l'eau, dont le contact avec l'air agit comme une fine feuille élastique sur laquelle peuvent se former ces « ondes alphabétiques » !"

Sur la base de ce résultat, les chercheurs ont utilisé des simulations numériques pour modéliser les collisions de deux ou trois solitons optiques. Similaire au cas du soliton d'eau, ils ont trouvé que X-, O-, et des vagues en forme de H ont émergé, et aussi que l'angle des solitons en interaction conduit à des motifs différents.

Les chercheurs s'attendent à ce qu'il soit possible d'observer expérimentalement ces motifs de solitons optiques en utilisant la technologie récemment utilisée pour observer des solitons individuels. Cela nécessiterait de combiner deux solitons à l'intérieur d'un milieu non local, par exemple, un cristal liquide nématique - tout en utilisant des miroirs pour contrôler l'angle entre les deux faisceaux lumineux utilisés pour générer les solitons.

Leurs résultats suggèrent qu'à l'avenir, il sera peut-être également possible de trouver des modèles encore plus complexes, telles que des structures d'ondes en forme de toile, dans les collisions de solitons optiques. Ils prévoient également d'étudier si d'autres systèmes hautement non locaux, comme les condensats de Bose-Einstein (systèmes quantiques macroscopiques composés d'atomes ultrafroids) et les colloïdes (mélanges contenant des particules en suspension en solution), peut également fournir les ingrédients nécessaires pour soutenir l'émergence de ces modèles.

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