Физикам из Римского университета Сапиенца под руководством Людовики Диели удалось получить в лабораторных условиях устойчивые трехмерные солитоны. Это волновые пакеты, способные распространяться в пространстве, не меняя своей формы, и взаимодействовать с другими подобными образованиями без разрушения. Результаты эксперимента, долгое время остававшегося теоретической возможностью, опубликованы в научном журнале Physical Review Letters.
Солитон представляет собой локализованную волну, которая может сохранять свою структуру неограниченно долго благодаря свойству интегрируемости системы. Это свойство связано с сохранением таких величин, как энергия и импульс, что делает волну устойчивой к искажениям. Ранее ученым удавалось создавать подобные стабильные образования только в одномерном случае, то есть при распространении вдоль прямой линии. Модель для трехмерного солитона, названного «солитоном-сгустком», была предложена советскими физиками еще в 1970 году и описывается уравнением Кадомцева-Петвиашвили. Однако экспериментальная реализация такого солитона долгое время оставалась сложной задачей из-за жестких условий, необходимых для применения этих уравнений к реальной физической системе.
Команде Диели удалось решить эту проблему, использовав особый материал — фоторефрактивный кристалл ниобата стронция-бария. Его свойство менять показатель преломления под действием света позволило создать контролируемую среду. Применяя внешнее напряжение к кристаллу, физики сформировали так называемую двумерную «фотонную жидкость» — оптическое поле, ведущее себя подобно текучей среде. Эта установка дала возможность точно управлять амплитудой и фазой светового луча, что было важно для подготовки начальных условий, максимально близких к аналитической форме солитона-сгустка. В результате исследователи смогли наблюдать солитон, который сохранял свою расчетную форму в процессе распространения и демонстрировал предсказанный теорией сдвиг в плоскости, перпендикулярной направлению движения.
Важным подтверждением свойств созданного образования стало его столкновение с другим идентичным солитоном, движущимся навстречу. После взаимодействия оба волновых пакета продолжили движение, сохранив свою первоначальную структуру, что наглядно продемонстрировало их интегрируемость. Успех этого эксперимента открывает путь для новых исследований в области нелинейной волновой динамики. Полученные результаты позволяют с высокой точностью изучать решения уравнения Кадомцева-Петвиашвили в лабораторных условиях, что раньше было невозможно для многомерных систем.
Ранее исследователи объяснили массу частиц геометрией пространства-времени.
