Físicos crean por primera vez un solitón 3D: una estructura de luz que sobrevive intacta a las colisiones sin deformarse

En los laboratorios de la Universidad Sapienza de Roma, un grupo de físicos ha logrado algo que parecía inalcanzable desde hace casi medio siglo: crear y observar por primera vez un solitón estable en 3D (lump soliton), una estructura de onda extremadamente estable que puede desplazarse sin deformarse, incluso al chocar con otra igual. Este resultado, que llevaba décadas escapando a la observación experimental, representa un hito en el estudio de ondas no lineales y tiene el potencial de abrir una nueva etapa en el control de la luz en medios ópticos.

Los detalles del avance se describen en un artículo científico liderado por Ludovica Dieli, publicado como preprint bajo el título Observation of lump solitons in a photon fluid. Lo que han conseguido no es solo una validación de un modelo teórico desarrollado en los años setenta, sino también la primera demostración experimental de un régimen integrable en un sistema óptico multidimensional, lo que añade un nuevo capítulo a la física de los solitones.

Qué es un solitón y por qué este es diferente

Un solitón es una perturbación localizada que viaja por un medio sin deformarse. Su existencia se explica a través de ecuaciones no lineales que presentan una propiedad conocida como integrabilidad, es decir, que conservan cantidades físicas como la energía o el momento durante la evolución del sistema. Esta propiedad permite que dos solitones puedan colisionar y continuar su camino sin alterarse, como si fueran partículas.

Aunque los solitones han sido observados experimentalmente en distintos contextos—desde fluidos hasta fibras ópticas—estas observaciones se habían limitado hasta ahora a sistemas unidimensionales. Pero la predicción teórica de un tipo especial de solitón tridimensional, descrito por la ecuación de Kadomtsev–Petviashvili tipo I (KPI), llevaba más de 45 años esperando una verificación experimental. Este tipo de onda se conoce como solitón tridimensional o soliton estable, y se caracteriza por ser estable en dos dimensiones transversales y propagarse en una tercera.

Como explican los autores en el artículo, “los solitones de bulto son soluciones racionales analíticas genuinamente localizadas en 2D y libres de carga topológica, que se propagan sin cambios e interactúan elásticamente con otros solitones”. Hasta ahora, ningún experimento había logrado crearlos ni observar estas colisiones sin pérdida de forma.

Cómo se logró crear un solitón 3D en el laboratorio

El equipo italiano utilizó un medio óptico no lineal compuesto por un cristal fotorrefractivo de niobato de estroncio y bario (SBN). Este tipo de cristal tiene una propiedad clave: su índice de refracción cambia según la intensidad de la luz que lo atraviesa y puede controlarse mediante un voltaje externo. Gracias a este comportamiento, los investigadores lograron crear un entorno en el que la luz se comporta como un fluido bidimensional, lo que se conoce como fluido de fotones.

Para generar el solitón, diseñaron un sistema óptico que permite controlar con alta precisión tanto la fase como la amplitud del haz de luz. Esta capacidad era esencial, ya que la forma inicial del solitón debía ajustarse con gran fidelidad al perfil teórico previsto por el modelo KPI. Una vez dentro del cristal, y bajo las condiciones experimentales adecuadas, el haz mantuvo su forma y dirección sin deformarse, cumpliendo con las características esperadas para un solitón integrable.

En palabras del artículo: “La forma del solitón se conserva durante la propagación y sufre un desplazamiento característico en el plano transversal”. Este desplazamiento lineal también concuerda con las predicciones matemáticas, en las que la velocidad del solitón depende del parámetro ε, que define su profundidad y anchura.

Un choque sin consecuencias: las colisiones entre solitones

Uno de los aspectos más espectaculares del experimento fue observar lo que en teoría parecía imposible: dos solitones de bulto colisionando sin alterarse. Los investigadores prepararon dos estructuras de luz con el mismo valor de ε y las hicieron converger desde direcciones distintas dentro del cristal. Las imágenes registradas muestran cómo, tras el encuentro, ambos solitones emergen separados, sin pérdida de forma ni dirección.

Esto constituye la primera prueba experimental de que, en sistemas ópticos bidimensionales, pueden existir soluciones completamente integrables que respetan la conservación de forma incluso después de interacciones complejas. Tal como recoge el estudio, “la colisión de los solitones genera un estado del que emergen de nuevo como dos objetos distintos cuya forma es claramente reconocible”.

La observación de este fenómeno consolida la idea de que los sistemas ópticos pueden reproducir comportamientos profundamente no lineales de forma controlada. Además, refuerza la utilidad de las plataformas de fluidos de luz como laboratorios ópticos para estudiar física fundamental.

Qué diferencia a estos solitones de los observados hasta ahora

Hasta este estudio, todos los solitones observados experimentalmente en medios ópticos eran estructuras unidimensionales, como los que se propagan en fibras o en ondas de agua. En cambio, los solitones tridimensionales tienen una forma más compleja: se extienden en dos dimensiones espaciales, y se desplazan en una tercera. Esto los convierte en estructuras verdaderamente tridimensionales, con propiedades que no dependen solo del medio, sino también de su configuración inicial.

Otra diferencia fundamental es que estos solitones no tienen carga topológica. A diferencia de los llamados vórtices ópticos, que requieren una estructura de giro interno, los solitones de bulto se comportan como depresiones en el campo de intensidad de luz, pero sin necesidad de rotación interna. Esta característica los hace más versátiles para experimentos futuros, donde el control preciso de la forma y dirección de la onda es esencial.

Además, el hecho de que su propagación y desplazamiento puedan ajustarse mediante rotaciones de fase y forma en el plano inicial permite explorar una gran variedad de configuraciones dentro del mismo sistema experimental. Esto podría ser clave para aplicaciones en sistemas ópticos avanzados y computación fotónica.

Implicaciones y futuros desarrollos

El experimento no solo valida una predicción teórica con más de cuatro décadas de antigüedad, sino que abre nuevas posibilidades en el estudio de ondas no lineales en múltiples dimensiones. La capacidad de generar solitones controlados, estables y que conservan su forma después de interacciones complejas podría aplicarse en ámbitos tan diversos como las comunicaciones ópticas, los sistemas cuánticos y el modelado de fluidos.

En el artículo, los autores destacan que “nuestros hallazgos abren el camino para la investigación experimental de la ecuación KPI y sus soluciones, asegurando una alta fidelidad con su forma analítica”. Esta fidelidad no se había conseguido nunca antes en experimentos con ondas no lineales en múltiples dimensiones.

También se espera que este tipo de investigaciones sirva como plataforma para explorar otros modelos matemáticos complejos que, hasta ahora, permanecían fuera del alcance experimental. La posibilidad de simular comportamientos similares en otros fluidos, como los condensados de Bose-Einstein o sistemas de agua superficial, multiplica las opciones para futuros estudios interdisciplinarios.

Cortesía de Muy Interesante

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