Sólitons ópticos são pacotes de ondas ópticas não lineares que podem manter seu perfil durante a propagação, mesmo na presença de perturbações moderadas. Eles oferecem aplicações úteis em comunicações ópticas, processamento de informações totalmente óptico e técnicas de laser ultrarrápidas.

As interações entre os sólidos ópticos exibem muitas propriedades semelhantes a partículas, e foram amplamente investigados por décadas. Os estados ligados de solitons ópticos em sistemas dissipativos não lineares foram encontrados para manifestar analogias únicas de matéria-luz e são resumidos pelas "moléculas de solitons" - estruturas compactas de vários solitons que se propagam como entidades únicas invariáveis.

A dinâmica das moléculas de soliton tem atraído amplo interesse, especialmente a síntese e dissociação de moléculas de soliton que são uma reminiscência de reações químicas. Contudo, o estudo de moléculas de soliton baseou-se principalmente em excitações aleatórias não controladas, e há muito se estabilizou no nível de objeto único, sem explorar as propriedades estocásticas e estatísticas que envolvem um grande número de solitons, dificultando o estudo de alto nível da dinâmica multi-soliton.

Em um novo artigo publicado em Ciência leve e aplicação , uma equipe de cientistas, liderado pelo Dr. Wenbin He e Dr. Meng Pang na Divisão do Prof. Philip Russell do Instituto Max Planck para a Ciência da Luz desenvolveu uma plataforma única, "reatores de solitons ópticos paralelos", que pode hospedar eventos dinâmicos maciçamente de moléculas de soliton.

Esses reatores paralelos, assemelhando-se a reatores químicos, pode isolar e hospedar vários solitons, e então manipular suas interações por meio de vários métodos totalmente óticos. Quando centenas desses reatores paralelos são operados simultaneamente com estados iniciais cuidadosamente preparados e técnicas de controle, a síntese sob demanda e as dissociações de moléculas de soliton podem ser iniciadas em números massivos, desdobrando um novo panorama da dinâmica multi-soliton que são de natureza estocástica.

Além disso, regras estatísticas podem ser derivadas das reações maciçamente paralelas, regras que se assemelham muito à cinética química clássica, promovendo a analogia convencional matéria-luz para um nível coletivo. Esses resultados trazem uma visão de alto nível para a dinâmica de soliton que pode beneficiar tanto a pesquisa fundamental quanto as aplicações práticas.

Os reatores de solitons ópticos paralelos são baseados em uma rede optomecânica única que é criada usando um laser de fibra optoacusticamente bloqueado no modo. O principal componente é, na verdade, apenas um pequeno pedaço de fibra de cristal fotônico (PCF) - uma fibra óptica microestruturada especial que possui um micro-núcleo cercado por uma série de canais ocos.

"Lasers de fibra optoacusticamente bloqueados de modo baseado em PCFs micro-core, "explicam os cientistas, "que foram desenvolvidos em nosso laboratório por muitos anos, fazer uso das interações optoacústicas aprimoradas no PCF micro-core. Quando inserido em um laser de fibra de modo bloqueado convencional, o PCF fornece uma ressonância acústica, normalmente na taxa de GHz, através do qual a cavidade da fibra de metros de comprimento pode ser efetivamente dividida em centenas de intervalos de tempo, cada um correspondendo a um ciclo de vibração acústica, levando à formação de uma rede optomecânica. Cada intervalo de tempo, ou 'célula de rede' pode hospedar vários solitons que são isolados de outros intervalos de tempo e podem ser manipulados, funcionando como muitos reatores paralelos em que os reagentes são sólidos ópticos em vez de átomos e moléculas reais. "

"O principal avanço deste trabalho é o controle sob demanda das interações de solitons em cada reator paralelo hospedado pela rede optomecânica. Classificamos os métodos em dois tipos. Um dependia de perturbações da cavidade de laser que afetam todos os reatores simultaneamente, que é chamado de 'controle global'. O outro utiliza pulsos de endereçamento externo para perturbações induzidas em reatores selecionados sem afetar os outros, que é chamado de 'controle individual'. As interações de soliton de longo alcance não correlacionadas com a fase desempenham um papel importante nessa interação controlada. A síntese controlada e a dissociação de moléculas de solitons são, na verdade, possibilitadas pelo ajuste cuidadoso das interações de solitons de longo alcance. "

"Por meio do ajuste cuidadoso da cavidade do laser, iniciamos com sucesso centenas de eventos de síntese / dissociação de moléculas de solitons em paralelo. Empregamos o método da transformada de Fourier dispersiva (DFT) para capturar a dinâmica multi-soliton transiente em cada reator. Ao analisar esses eventos maciçamente paralelos registrados no experimento, que não estão disponíveis em estudos anteriores, nós revelamos muitos recursos da dinâmica multi-soliton, incluindo algumas regras estatísticas que emulam a cinética química clássica, sugerindo uma analogia de matéria-luz em nível coletivo. "

"A técnica apresentada ofereceu uma série de novas possibilidades para estudar os solitons ópticos. Muitos fenômenos relativos à dinâmica dos solitons podem ser reexaminados usando esse esquema de reator paralelo para obter uma visão de nível coletivo. As várias técnicas de controle, especialmente os métodos de controle individual que permitiram a edição seletiva de estados multi-soliton, pode ser potencialmente útil em tecnologia de informação óptica que usa solitons como portadores de bits. Esperamos também que o conceito de reatores paralelos seja realizado em outras plataformas, por exemplo. usando uma grande variedade de micro-ressonadores ", prevêem os cientistas.