I solitoni ottici sono pacchetti d'onda ottici non lineari che possono mantenere il loro profilo durante la propagazione, anche in presenza di perturbazioni moderate. Offrono utili applicazioni nelle comunicazioni ottiche, elaborazione dell'informazione completamente ottica e tecniche laser ultraveloci.

Le interazioni tra solitoni ottici mostrano molte proprietà simili a particelle, e sono stati ampiamente studiati per decenni. È stato scoperto che gli stati legati dei solitoni ottici nei sistemi dissipativi non lineari manifestano analogie uniche tra materia e luce e sono incarnati dalle "molecole di solitoni", strutture multi-solitoni compatte che si propagano come singole entità invarianti.

La dinamica delle molecole solitoniche ha suscitato ampio interesse, in particolare la sintesi e la dissociazione di molecole solitoniche che ricordano le reazioni chimiche. Però, lo studio delle molecole solitoniche si basava principalmente su eccitazioni casuali incontrollate, e si è a lungo stabilizzato al livello del singolo oggetto, senza esplorare le proprietà stocastiche e statistiche che coinvolgono un numero enorme di solitoni, rendendo difficile lo studio di livello superiore della dinamica multi-solitonica.

In un nuovo articolo pubblicato su Scienza e applicazione della luce , un team di scienziati, guidato dal Dr. Wenbin He e dal Dr. Meng Pang nella Divisione del Prof. Philip Russell del Max Planck Institute for the Science of Light ha sviluppato una piattaforma unica, "reattori ottici-solitoni paralleli", che può ospitare eventi massivamente dinamici di molecole solitoniche.

Tali reattori paralleli, simili a reattori chimici, può isolare e ospitare più solitoni, e quindi manipolare le loro interazioni attraverso vari metodi completamente ottici. Quando centinaia di tali reattori paralleli vengono fatti funzionare simultaneamente con stati iniziali e tecniche di controllo accuratamente preparati, la sintesi e le dissociazioni su richiesta di molecole solitoniche possono essere avviate in numero massiccio, aprendo un nuovo panorama di dinamiche multi-solitoniche di natura stocastica.

Inoltre, regole statistiche possono essere derivate dalle reazioni massicciamente parallele, regole che somigliano molto alla cinetica chimica classica, promuovere l'analogia convenzionale materia-luce a livello collettivo. Questi risultati offrono una visione di livello superiore della dinamica dei solitoni che può avvantaggiare sia la ricerca fondamentale che le applicazioni pratiche.

I reattori ottici-solitoni paralleli si basano su un reticolo optomeccanico unico creato utilizzando un laser a fibra otticamente bloccato in modalità optoacustica. Il componente chiave è in realtà solo un breve pezzo di fibra a cristalli fotonici (PCF), una speciale fibra ottica microstrutturata che ha un micro-nucleo circondato da una serie di canali cavi.

"Laser in fibra optoacusticamente bloccati in modalità basati su PCF micro-core, " spiegano gli scienziati, "che sono stati sviluppati nel nostro laboratorio per molti anni, sfruttare le interazioni optoacustiche potenziate nel PCF micro-core. Quando inserito in un laser a fibra convenzionale con modalità bloccata, il PCF fornisce una risonanza acustica, tipicamente a velocità GHz, attraverso il quale la cavità della fibra lunga metri può essere efficacemente suddivisa in centinaia di finestre temporali, ciascuno corrispondente a un ciclo di vibrazione acustica, che porta alla formazione di un reticolo optomeccanico. Ogni fascia oraria, o "cella reticolare" può ospitare più solitoni che sono isolati da altri slot temporali e possono essere manipolati, funzionando come molti reattori paralleli in cui i reagenti sono solitoni ottici invece di atomi e molecole reali".

"La principale svolta di questo lavoro è il controllo su richiesta delle interazioni solitoniche in ciascun reattore parallelo ospitato dal reticolo optomeccanico. Abbiamo classificato i metodi in due tipi. Uno si basava sulle perturbazioni della cavità laser che interessano tutti i reattori contemporaneamente, che si chiama "controllo globale". L'altro utilizza impulsi di indirizzamento esterno per indurre perturbazioni su reattori selezionati senza influenzare gli altri, che si chiama "controllo individuale". Le interazioni di solitoni a lungo raggio non correlate alla fase giocano un ruolo importante in tale interazione controllata. La sintesi controllata e la dissociazione delle molecole solitoniche sono effettivamente rese possibili da un'attenta personalizzazione delle interazioni solitoniche a lungo raggio".

"Con un'attenta regolazione della cavità laser, abbiamo avviato con successo centinaia di eventi di sintesi/dissociazione di solitone-molecola in parallelo. Abbiamo impiegato il metodo dispersivo della trasformata di Fourier (DFT) per catturare le dinamiche multi-solitoni transitorie in ciascun reattore. Analizzando questi eventi massicciamente paralleli registrati nell'esperimento, che non sono disponibili in studi precedenti, abbiamo svelato molte caratteristiche della dinamica multi-solitonica, comprese alcune regole statistiche che emulano la cinetica chimica classica, suggerendo un'analogia materia-luce a livello collettivo."

"La tecnica presentata ha offerto una serie di nuove possibilità per lo studio dei solitoni ottici. Molti fenomeni riguardanti la dinamica dei solitoni possono essere riesaminati utilizzando tale schema a reattore parallelo per ottenere una visione a livello collettivo. Le varie tecniche di controllo, in particolare i metodi di controllo individuali che hanno consentito la modifica selettiva di stati multi-solitoni, può essere potenzialmente utile nella tecnologia dell'informazione ottica che utilizza solitoni come portatori di bit. Ci aspettiamo anche che il concetto di reattori paralleli venga realizzato su altre piattaforme, per esempio. utilizzando una vasta gamma di micro-risonatori", prevedono gli scienziati.