¿Alguna vez has notado cómo se organizan las nubes en el cielo en forma de tubos paralelos? ¿O las líneas que forma la arena de la playa cuando baja la marea? En el lenguaje de la física estas formaciones se llaman "estructuras disipativas" y aparecen espontáneamente en sistemas disipativos no lineales mantenidos fuera del equilibrio por un aporte de energía del ambiente exterior. Entre estas estructuras, los solitones disipativos son de particular interés. En la naturaleza, por ejemplo, se pueden citar los tsunamis como manifestaciones conocidas de solitones.
En general, los solitones son estructuras localizadas solitarias que pueden propagarse a través de largas distancias sin deformarse. Esta propiedad, que contrasta con la tendencia general de un paquete de ondas a dispersarse durante su propagación, es el resultado de efectos no lineales inducidos por la interacción entre la onda y el medio en el que viaja.
En óptica, los solitones han sido ampliamente estudiados en guías de ondas y fibras ópticas, en especial, para aplicaciones en el campo de las telecomunicaciones. Los solitones disipativos tienen propiedades adicionales notables y, en particular, pueden ser manejados individualmente lo que permite que un solitón pueda codificarse en forma de bit de datos y ponerse al servicio del procesamiento óptico de la información.
La investigación llevada a cabo por el doctor Julien Javaloyes, del Departamento de Física de la Universidad de las Illes Balears, y los doctores Bruno Garbin, Giovanna Tissoni y Stéphane Barland, del Instituto No Lineal de Niza, ha permitido implementar estos solitones disipativos en un láser de semiconductor. Aunque los solitones aparecen habitualmente en óptica como pulsos de luz cortos, en este caso, sin embargo, la cantidad de luz emitida por el láser sigue siendo constante en el tiempo (como ocurre con la luz emitida por un puntero láser) presentando pequeños cambios en el color de emisión de la luz durante breves instantes de tiempo. Estas pequeñas variaciones en el cambio de color de la luz se pueden considerar como solitones topológicos, es decir, una clase especial de solitón relacionados con las propiedades geométricas del sistema. Del mismo modo que un nudo en una cuerda cerrada no puede descomponerse, deshacerse o desenredarse sin romper la cuerda, las propiedades geométricas de los solitones topológicos les confieren una estabilidad geométrica adicional.
Además de su interés fundamental, estos solitones de color que circulan indefinidamente dentro de la cavidad laser, pueden encenderse y apagarse individualmente de manera que es posible generar y almacenar una secuencia arbitraria de bits para su uso posterior. Se crea, así, un buffer óptico con posibles aplicaciones en la gestión de la información y del tráfico de banda ancha en redes. El interés en sus aplicaciones se ve reforzado por el uso del láser de semiconductor, un componente clave de los sistemas fotónicos a día de hoy.
De manera sorprendente, los autores han vinculado sus observaciones a las dinámicas neuronales y han demostrado que la dinámica temporal del color del láser se rige por las mismas ecuaciones matemáticas que describen la dinámica de las neuronas o de los nervios en los organismos vivos. Todos estos sistemas se rigen por el concepto de “excitabilidad” que describe, entre otros fenómenos, la capacidad de un nervio a responder de manera fuertemente no lineal a un estímulo débil, por ejemplo, enviando un pulso en respuesta a una estimulación que pasa un cierto umbral.
Referencia bibliográfica
B. Garbin, J. Javaloyes, G. Tissoni, S. Barland. «Topological solitons as addressable phase bits in a driven laser». Nature Communications, 6, 5915 (2015). doi: 10.1038/ncomms6915
Imagen: Julien Javaloyes
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