Was sind Solitonen?

Wellen begegnen uns in vielen Formen, etwa als Wasserwellen am Strand. Besonders faszinierend sind jedoch Solitonen. Diese speziellen Wellenpakete bewegen sich, ohne ihre Form zu verändern. Im Gegensatz zu normalen Wellen, die sich ständig überlagern und verändern, bleiben Solitonen stabil. Sie folgen nichtlinearen Gleichungen und können sogar kollidieren, ohne ihre Form oder Energie zu verlieren.

Die Herausforderung der Zweidimensionalität

Bisher wurden Solitonen nur in eindimensionalen Strukturen beobachtet, zum Beispiel in schmalen Kanälen. Theoretisch war bekannt, dass es auch zweidimensionale Solitonen geben könnte, sogenannte Lump-Solitonen. Diese wurden jedoch nie experimentell nachgewiesen. Der Grund: In Flüssigkeiten würden sie nur bei extrem hoher Oberflächenspannung entstehen, die in der Natur nicht vorkommt.

Ein optischer Ansatz

Ein Forscherteam um Davide Pierangeli von der Sapienza-Universität Rom hat nun einen innovativen Ansatz gewählt. Statt Wasser nutzten sie Licht, das sich unter bestimmten Bedingungen ebenfalls wellenartig verhalten kann. Die Wissenschaftler schickten einen Laserstrahl durch einen photorefraktiven Kristall. Dieser Kristall verändert seinen Brechungsindex abhängig von der Lichtintensität. Dadurch konnte das Licht so gesteuert werden, dass es der nichtlinearen Kadomtsev-Petviashvili-Gleichung folgte, aus der theoretisch ein Lump-Soliton entsteht.

Erfolgreicher Nachweis

Mit einem programmierbaren Spiegel formten die Forscher den Lichtstrahl so, dass er der Anfangsform eines Lump-Solitons entsprach. Eine Kamera zeichnete die Intensität des Lichts am Ausgang des Kristalls auf. Das Ergebnis war beeindruckend: Das Licht behielt während der Ausbreitung sowohl seine Form als auch seine Intensität bei – ein klares Zeichen für ein Soliton. Als die Forscher zwei dieser Licht-Solitonen aufeinanderprallen ließen, verschmolzen sie kurzzeitig und trennten sich anschließend wieder, ohne ihre Eigenschaften zu verlieren.

Bedeutung der Entdeckung

Diese Entdeckung ist ein Meilenstein in der Physik. Sie bestätigt nicht nur theoretische Vorhersagen, sondern eröffnet auch neue Möglichkeiten für die Erforschung nichtlinearer Wellenphänomene in höheren Dimensionen. Mögliche Anwendungen könnten in der optischen Datenübertragung oder der Entwicklung neuer Materialien liegen.