İtalya’dan fizikçiler, onlarca yıldır yalnızca teorik çalışmalarda var olan bir dalga türünü ilk kez laboratuvarda üretmeyi başardı. “Lump soliton” olarak adlandırılan bu yapı, üç boyutlu uzayda ilerlerken şeklini bozmadan yol alabilen ve başka solitonlarla çarpışsa bile özelliklerini koruyan derece dayanıklı bir ışık kümesi olarak tanımlanıyor. Çalışma, Roma’daki Sapienza Üniversitesinden Ludovica Dieli tarafından yürütüldü ve sonuçlar Physical Review Letters dergisinde yayınlandı.
Solitonlar, doğrusal olmayan fizik alanının en temel kavramlarından biri. Normalde dalgalar yayıldıkça dağılır, bozulur ya da birbirleriyle etkileşime girerek şekillerini kaybeder. Solitonlar ise tam tersine, belirli koşullar altında kendi iç dengelerini koruyarak uzun mesafeler boyunca neredeyse hiç değişmeden ilerleyebilir. Bu özellik, matematikte “integrabilite” (parçalanamaz) adı verilen bir kavrama dayanır. Enerji ve momentum gibi çok sayıda fiziksel büyüklüğün korunduğu integrable sistemlerde, dalga kümeleri dış etkilere karşı çok daha dirençli olur.
Ancak bugüne kadar laboratuvarda üretilmiş gerçek anlamda integrable solitonlar yalnızca tek boyutta, yani bir doğru boyunca ilerleyen yapılarla sınırlıydı. Oysa 1970’te geliştirilen Kadomtsev-Petviashvili (KP) denklemi, iki boyutlu bir düzlemde ve dolaylı olarak üç boyutlu uzayda kararlı biçimde ilerleyebilen “lump soliton” adı verilen çözümler öngörüyordu. Bu çözümler, kuramsal olarak bilinse de, KP dinamiklerinin gerçek bir fiziksel sistemde uygulanması zor olduğu için deneysel olarak gözlemlenememişti.
Dieli ve ekibi bu engeli aşmak için, fotorefraktif (ışığa duyarlı) özelliklere sahip stronsiyum-baryum niyobat kristali kullandı. Bu kristal, içinden geçen ışığın yoğunluğuna bağlı olarak kırılma indisinin değişmesini sağlıyor. Araştırmacılar kristale uyguladıkları dış gerilim sayesinde iki boyutlu bir “foton akışkanı” yarattı, yani ışığın, tıpkı bir sıvı gibi davranabildiği bir ortam oluşturdu. Bu sayede ışık demetinin genliği ve fazı mikrometre ölçeğinde hassas biçimde kontrol edilebildi ve lump solitonun kuramsal biçimine yakın başlangıç koşulları hazırlandı.
Deneyler sonucunda ortaya çıkan lump soliton, laboratuvar boyunca ilerlerken şeklini korudu ve iki boyutlu düzlemde karakteristik bir yan kayma sergiledi. Daha da önemlisi, karşı yönden gelen başka bir lump solitonla çarpıştığında bile bozulmadı; çarpışma elastik gerçekleşti ve her iki yapı da yoluna aynı biçimde devam etti. Bu davranış, solitonun gerçekten integrable bir sistemin parçası olduğunun en açık göstergesi olarak kabul edildi.
Araştırmacılar, bu başarının doğrusal olmayan dalgalar fiziğinde yeni bir dönemi başlatabileceğini vurguluyor. İlk kez yüksek boyutlu, gerçekten integrable solitonların deneysel olarak gözlemlenmesi, hem KP denklemi gibi matematiksel modellerin test edilmesine hem de gelecekte optik iletişimden temel parçacık fiziğine kadar uzanan birçok alanda yeni uygulamaların geliştirilmesine kapı aralayabilir. Lump soliton gibi yapılar teorik olarak binlerce kilometre boyunca hiç bozulmadan bilgi taşıyabilir; lazerle maddeyi işleme, optik çiplere ışıkla veri aktarma veya kuantum bilgi sistemlerinde dalga paketlerini kararlı tutma gibi alanlarda da bu tür “dağılmayan” ışık kümeleri kritik bir avantaj sağlayabilir.
Kaynak: Physical Review Letters