La refracción de un solitón óptico en un gas de solitones

Por Francisco R. Villatoro, el 4 abril, 2023. Categoría(s): Ciencia • Física • Noticias • Óptica • Physics • Science

Se llama gas de solitones a un sistema con gran número de solitones en interacción mutua (en la práctica bastan decenas de solitones). Cuando un solitón de gran amplitud atraviesa un gas de solitones de menor amplitud se observa un fenómeno de refracción en las simulaciones teóricas; de hecho, dicho fenómeno fue predicho por la llamada teoría cinética del gas de solitones. Se ha publicado en arXiv la primera observación experimental de esta refracción en un solitón óptico gracias a una fibra óptica recirculante; el acuerdo entre las observaciones y la teoría es bastante bueno. El estudio gas de solitones está de moda, como ejemplo paradigmático del nuevo campo de la hidrodinámica generalizada de sistemas integrables de muchos cuerpos.

Lo más curioso es que la refracción no lineal observada es una refracción «anómala», en el sentido de que ocurre en sentido contrario a la que se observa con un rayo de luz en un cristal; el solitón que atraviesa el gas incrementa su velocidad (en lugar de reducirla). Otra curiosidad es que en el experimento se observan múltiples refracciones de un solitón contra un gas de solitones de número de componentes creciente en cada ejecución (que dura menos de medio microsegundo); el pulso ancho inicial que da lugar al gas de solitones se descompone en múltiples gases de solitones con un número creciente de componentes conforme el tiempo transcurre. De esta forma el único gran solitón se refracta con muchos de estos gases de solitones en cada ejecución del experimento.

El artículo es Pierre Suret, Martin Dufour, …, Stephane Randoux, «Soliton refraction through an optical soliton gas,» arXiv:2303.13421 [nlin.PS] (23 Mar 2023), doi: https://doi.org/10.48550/arXiv.2303.13421. En este blog también recomiendo «Colisiones síncronas en un gas de solitones», LCMF, 16 ago 2022, y «Observan colisiones de dos y tres solitones en una fibra óptica recirculante», LCMF, 04 abr 2023.

El esquema experimental es muy similar al usado para observar las colisiones de dos y tres solitones (LCMF, 04 abr 2023). Un láser de 1550 nm inyecta pulsos cortos de 58 ± 16 ps (FWHM) que evolucionan a un solitón de gran amplitud (39.2 ± 5.54 mW); en paralelo, otro láser de 1550.125 nm inyecta pulsos largos de 0.2 a 2 ns con menor amplitud promedio de 19.2 ± 1.6 mW, que evolucionan a los múltiples solitones del gas. Ambos se inyectan a una fibra recirculante con una longitud de 8 km, que en un extremo tiene un acoplador 90/10, que deja pasar el 10 % de la señal a un fotodetector y mantiene el 90 % en la fibra recirculante, donde se ha incorporado un amplificador completamente óptico (una bomba de Raman con un láser a 1450 nm). La fibra tienes unas pérdidas débiles de ∼ 0.0027 dB/km, que provocan que la amplitud (tanto del gran solitón como del gas de solitones) decaiga de forma exponencial durante la propagación.

Como es bien conocido, en la refracción de la luz en un cristal la velocidad de luz dentro del cristal es menor que en el aire exterior (es decir, el índice de refracción del cristal es mayor que el del aire). En la refracción no lineal del solitón se observa justo lo contrario, la velocidad efectiva del gran  solitón se incrementa mientras cruza el gas de solitones, volviendo a su valor inicial una vez lo abandona. La teoría cinética para el gas de solitones (que está basada en la transformada espectral inversa, o IST) permite calcular este cambio en velocidad (en realidad se calcula el cambio en posición Δx); el resultado que está en buen acuerdo con los experimentos (los interesados en los detalles pueden consultar el artículo).

Lo más curioso (aparte de la refracción «anómala») es que en una sola ejecución del experimento de solo 400 ns se observan 29 interacciones entre sendos solitones y gases de solitones de número creciente de componentes. Entre t = 60 ns y t = 340 ns se observa como se forma un gas de solitones con una anchura de unos ∼ 200 ps (t = 60 ns) que crece hasta ∼ 2000 ps (t = 240 ns) conforme se van acumulando nuevos solitones que se van generando a partir del pulso ancho inicial. Así se puede interpretar el resultado como que en el bucle de fibra recirculante el mismo gran solitón interacciona 29 veces con un gas de solitones que se va formando y creciendo en número de solitones individuales conforme va pasando el tiempo. Sin lugar a dudas, estos experimentos con gases de solitones son asombrosos.



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