Observan solitones en una guía de ondas de espín con función no lineal repulsiva

Por Francisco R. Villatoro, el 6 agosto, 2014. Categoría(s): Ciencia • Física • Noticias • Óptica • Physics • Science ✎ 2

Dibujo20140806 Propagation of spin-wave packets in 2mm wide YIG strip - Experimental setup - Envelopes of output signals - new j phys

Se observan por primera vez solitones (brillantes) de tipo envolvente en un medio unidimensional cuyo función no lineal es repulsiva (aproxima a una saturación). En concreto se han observado magnones u ondas de espín en un película delgada de granate de hierro e itrio (YIG). Estas ondas de espín corresponden a excitaciones un material magnético en las que el espín de los átomos rota de forma localizada; estos paquetes de ondas se propagan a una velocidad de grupo aproximadamente constante.

Este tipo de solitones pueden tener múltiples aplicaciones en espintrónica, magneto-óptica, optoelectrónica, teoría de microondas y otros campos. Sin embargo, en mi opinión, lo más interesante es que se observan un nuevo tipo de solitones en un medio unidimensional que permite estudiar fácilmente sus propiedades y confrontarlas con las simulaciones numéricas (campo en el que yo trabajo).

El artículo técnico es Zihui Wang et al., “Formation of bright solitons from wave packets with repulsive nonlinearity,” New Journal of Physics 16: 053048, May 2014. Entre los autores está Lincoln D. Carr (Univ. Escuela de Minas de Colorado, EEUU) cuyo trabajo sigo con regularidad.

Dibujo20140806 nlse cubic-quintic - approx saturable nonlinearity - new j phys

La ecuación no lineal de Schrödinger cúbica (esta ecuación con S=0 y N<0) no describe correctamente los solitones observados en la guía unidimensional de YIG (Y3Fe5O12). Hay que añadir un término S>0. De hecho, el ajuste de sus parámetros a los resultados experimentales nos da: vg = 3,8 × 106 cm/s, η = 3,1 × 106 rad/s, D = −4,7 × 103 rad·cm²/s, N = −10,1 × 109 rad/s, y S = 1,8 × 1012 rad/s. Destaca que S es 180 veces mayor que N. Futuros trabajos experimentales tendrán que reducir las pérdidas (valor de η) que todavía son altas para muchas aplicaciones prácticas.

Debo destacar que hay estudios previos que han observado solitones en condensados de Bose-Einstein con interacción repulsiva entre sus átomos, pero en todos los casos se modelan mediante la ecuación no lineal de Schrödinger cúbica, no siendo necesaria la inclusión de un término no lineal repulsivo (véase por ejemplo B. Eiermann et al., “Bright Bose-Einstein Gap Solitons of Atoms with Repulsive Interaction,” Phys. Rev. Lett. 92: 230401, 2004).



2 Comentarios

  1. Antonio, la forma de los solitones brillantes es de sech (secante hiperbólica). En general, una condición inicial (como la onda cuadrada) se descompone en una serie de solitones (cuyo número depende de la potencia inicial) más paquetes de radiación. En la figura el pulso cuadrado se ha ajustado para producir un solitón y radiación.

  2. Antonio, la onda cuadrada es un impulso unitario o Delta de Dirac, que en sí es una idealización teórica, por cuanto puedes presumir que en realidad también tiene curvas y transitorios.
    En cuanto a la gaussiana de salida imagino que este pulso, a medida que se propaga a través del medio, interactúa con éste y se estabiliza en una forma de solitón. Supongo que queda así por un tema de conservación de energía.
    En fin, Francis es el que sabe y por decir esto me va a poner un cero en la libreta! 🙂 Aunque para mí especular es divertido, gratis y si me corrige aprendo.
    Salu2

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