I solitoni sono pacchetti d'onda simili a particelle auto-rinforzanti abilitati dall'equilibrio tra dispersione e non linearità. In idrodinamica, laser, atomi freddi, e plasma, solitoni vengono generati quando un campo laser è confinato in un risonatore circolare a bassissima perdita, che produce più solitoni che viaggiano intorno al risonatore.

Normalmente, questi solitoni viaggiano con la stessa velocità, quindi raramente si avvicinano l'uno all'altro. Però, quando i solitoni si scontrano tra loro, possono rivelare importanti fisici fondamentali del sistema, comprese le proprietà del risonatore ospite e la sua non linearità. Ciò significa che la dimostrazione e il controllo delle collisioni solitoniche nei microrisonatori ottici è un obiettivo importante per i ricercatori in dinamica non lineare e fisica solitonica.

Pubblicato in Revisione fisica X , i ricercatori del laboratorio di Tobias Kippenberg all'EPFL hanno ora sviluppato un metodo nuovo ed efficace per generare collisioni di solitoni nei microrisonatori. L'approccio utilizza due laser per generare due diverse specie di solitoni (ogni specie ha una velocità di viaggio unica) in un risonatore cristallino in modalità galleria sussurrante.

I ricercatori hanno inserito due campi laser nel microrisonatore, guidando due specie di solitoni il cui disadattamento di velocità può essere controllato in modo flessibile. Di conseguenza, solitoni con velocità diverse si scontrano tra loro.

A seconda della differenza tra le velocità dei solitoni, solitoni diversi possono legarsi tra loro dopo essersi scontrati o incrociarsi. Poiché ogni collisione avviene in un tempo molto breve, le tecniche convenzionali non possono risolvere i comportamenti dei solitoni individuali.

Qui i ricercatori hanno utilizzato un treno di impulsi prodotto da modulatori ad alta velocità per sondare i solitoni. L'interferenza tra gli impulsi e i solitoni genera segnali elettronici che possono essere registrati e analizzati, consentendo ai ricercatori di confrontare i risultati con simulazioni teoriche che prevedono con precisione le osservazioni sperimentali.

Questo fenomeno mostra quanto possano essere robusti questi solitoni nei microrisonatori ottici. "Durante la collisione di solitoni la forma di un singolo solitone può essere significativamente distorta, e la sua energia esibisce vibrazioni drammatiche, " spiega Wenle Weng, il primo autore dell'articolo. "Ancora, possono sopravvivere al forte impatto della collisione, e possono unirsi o disimpegnarsi l'uno dall'altro dopo la collisione."

Il lavoro introduce una piattaforma comoda ma potente per studiare interazioni di solitoni complesse e dinamiche non lineari transitorie. Ma può anche aiutare a generare pettini di frequenza sincronizzati e telecomunicazioni ottiche basate su solitoni. I meccanismi di collisione e legame possono essere utilizzati per costruire pettini di frequenza con strutture non convenzionali per la metrologia ottica, e per migliorare la larghezza di banda dei pettini di frequenza in generale.