散逸ソリトン

散逸ソリトンDS )は、非線形空間的に拡張された散逸系において自己組織化のメカニズムによって生じる安定な孤立局在構造(ソリトン)である。これらは、保存系における古典的なソリトン概念の拡張と考えることができる。別名として、オートソリトン、スポット、パルスなどがある。

束縛状態の形成といった古典粒子の挙動に類似した側面に加え、DSはエネルギー保存則や運動量保存則の制約を受けずに、散乱、生成、消滅といった興味深い挙動を示す。内部自由度の励起により、動的に安定化された固有速度、あるいは形状の周期的な振動が生じる可能性がある。

歴史的発展

ソリトン概念の起源

DSは古くから実験的に観測されてきました。 ヘルムホルツ[ 1 ]は1850年に神経パルスの伝播速度を測定しました。1902年にはレーマン[ 2 ]が長いガス放電管に局所的な陽極点が形成されることを発見しました。しかし、「ソリトン」という用語はもともと別の文脈で生まれました。その出発点は、1834年にラッセルが「孤立水波」を実験的に検出したことでした。 [ 3 ] これらの観察は、 1870年頃にレイリー[ 4 ]ブシネスク[ 5 ]による理論的研究のきっかけとなり、最終的に1895年にコルテウェグとド・フリースによってそのような波の近似的な記述が示されました。この記述は今日、(保存則的な) KdV方程式として知られています 。[ 6 ]

このような背景から、1965年にザブスキークラスカル[ 7 ]によって「ソリトン」という用語が造語されました。彼らはKdV方程式のよく局所化された孤立解を研究し、これらの物体をソリトンと名付けました。彼らは特に、1次元空間にソリトンが存在することを実証しました。例えば、ソリトンは2つの異なるサイズと速度を持つ一方向に伝播するパルスの形で存在し、衝突前後で数、形状、サイズが同じであるという注目すべき特性を示します。

ガードナーら[ 8 ]は KdV方程式を解くための 逆散乱法を導入し、この方程式が完全に積分可能であることを証明した。1972年にザカロフとシャバット[ 9 ]は別の積分可能な方程式を発見し、最終的に逆散乱法が方程式の全クラス(例えば 非線形シュレーディンガー方程式や サイン・ゴルドン方程式)に適用可能であることが証明された。1965年から1975年頃にかけて、ソリトンという用語を、逆散乱法を用いて解ける保存的非線形偏微分方程式のパルス状孤立解にのみ用いるという共通の合意が得られた。

弱散逸系と強散逸系

古典ソリトンに関する知識が増えるにつれて、技術的な応用の可能性が見えてきた。現在最も有望視されているのは、データ伝送を目的とした ガラスファイバーを介した光ソリトンの伝送である。保存システムとは対照的に、ファイバー内のソリトンはエネルギーを散逸し、これは中時間および長時間スケールでは無視できない。しかし、古典ソリトンの概念は、短時間スケールではエネルギーの散逸を無視できるという意味で依然として使用できる。中時間スケールでは小さなエネルギー損失を摂動として考慮する必要があり、長時間スケールではソリトンの振幅は減衰し、最終的には消滅する。[ 10 ]

しかしながら、孤立構造を生成でき、その形成と安定化に散逸が重要な役割を果たす様々なタイプのシステムが存在する。これらのDSの特定のタイプに関する研究は長年行われてきたが(例えば、1952年のホジキンとハクスリーの研究で最高潮に達した神経パルスの研究を参照)、1990年以降、研究量は大幅に増加した(例えば、[ 12 ] [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ] を参照考えられる理由として実験装置解析技術の改善、および数値計算用のより強力なコンピュータの利用可能性が挙げられる。今日では、強い散逸システムの孤立構造に対して散逸ソリトンという用語を使用するのが一般的である。

実験観察

今日、DSは様々な実験装置で使用されています。例としては、

  • ガス放電システム:放電空間に閉じ込められたプラズマ。この空間は主放電長に比べて横方向に長いことが多い。DSは電極間の電流フィラメントとして発生し、高抵抗バリアを備えたDCシステム[ 16 ] 、誘電体バリアを備えたACシステム[ 17 ]、陽極スポット[ 18 ]、金属電極を備えた遮蔽放電[ 19 ]で見られる。

驚くべきことに、上記の多くの系におけるDSのダイナミクスは、微視的な違いにもかかわらず、現象論的には類似しています。典型的な観察例としては、(固有の)伝播、散乱、束縛状態およびクラスターの形成、勾配のドリフト、相互浸透、生成、消滅、そして高次不安定性などが挙げられます。

理論的説明

DSを示すシステムのほとんどは、非線形偏微分方程式によって記述されます 。離散差分方程式や セルオートマトンも用いられます。これまで、第一原理に基づくモデリングとそれに続く実験と理論の定量的な比較はほとんど行われておらず、微視的および巨視的な時間・空間スケール間の大きな乖離のために深刻な問題を引き起こすこともあります。多くの場合、より大規模な実験システムにおける本質的な物理過程を反映した、簡略化されたプロトタイプモデルが研究されています。これらの中には、

  • 反応拡散系は化学システム、ガス放電、半導体などに用いられる。[ 43 ]異なる反応物の濃度を表す状態ベクトルq ( xt )の変化は、拡散と局所反応によって決定される。
tqD_Δq+Rq{\displaystyle \partial _{t}{\boldsymbol {q}}={\underline {\boldsymbol {D}}}\,\Delta {\boldsymbol {q}}+{\boldsymbol {R}}({\boldsymbol {q}}).}
よく見られる例としては、2成分のフィッツヒュー・ナグモ型活性剤・阻害薬システムが挙げられる。
τあなたtあなたτvtvdあなた200dv2ΔあなたΔv+λあなたあなた3κ3v+κ1あなたv{\displaystyle \left({\begin{array}{c}\tau _{u}\,\partial _{t}u\\\tau _{v}\,\partial _{t}v\end{array}}\right)=\left({\begin{array}{cc}d_{u}^{2}&0\\0&d_{v}^{2}\end{array}}\right)\left({\begin{array}{c}\Delta u\\\Delta v\end{array}}\right)+\left({\begin{array}{c}\lambda uu^{3}-\kappa _{3}v+\kappa _{1}\\uv\end{array}}\right).}
定常DSは、DS中心部での物質生成、尾部への拡散輸送、そして尾部における物質の減少によって生成される。伝播するパルスは、先端部での生成と後端での減少によって生じる。[ 44 ]その他の効果としては、DSの周期的な振動(「ブリージング」)[ 45 ] [ 46 ]束縛状態[ 47 ]衝突、合体、生成、消滅[ 48 ]などが見られる。
  • 複素スカラーq ( xt )に対するギンツブルグ・ランダウ型方程式は、非線形光学系、プラズマ、ボーズ・アインシュタイン凝縮、液晶、粒状媒体などを記述するために使用される。[ 49 ]よく見られる例としては、三次五次亜臨界ギンツブルグ・ランダウ方程式がある。
tqdr+dΔq+rq+cr+c|q|2q+qr+q|q|4q{\displaystyle \partial_{t}q=(d_{r}+id_{i})\,\Delta q+\ell_{r}q+(c_{r}+ic_{i})|q|^{2}q+(q_{r}+iq_{i})|q|^{4}q.}
DSの形成に至るメカニズムを理解するために、エネルギーρ = | q | 2を考慮すると、連続方程式を導くことができる。
tρ+メートルSdrqΔq+qΔq+2rρ+2crρ2+2qrρ3と メートル2d私はqq{\displaystyle {\begin{aligned}&\partial _{t}\rho +\nabla \cdot {\boldsymbol {m}}=S=d_{r}(q\,\Delta q^{\ast }+q^{\ast }\,\Delta q)+2\ell _{r}\rho +2c_{r}\rho ^{2}+2q_{r}\rho ^{3}\\&{\text{with }}{\boldsymbol {m}}=2d_{i}\operatorname {Im} (q^{\ast }\nabla q).\end{aligned}}}
これにより、エネルギーは一般的にDSの側面で生成され、中心へ輸送され、場合によっては尾部へ輸送されてそこで枯渇することがわかる。力学現象としては、1次元で伝播するDS [ 50 ] 、 2次元で伝播するクラスター[ 51 ] 、束縛状態と渦ソリトン[ 52 ] 、そして「爆発するDS」[ 53 ]などが挙げられる。
  • スウィフト・ホーエンベルグ方程式は、非線形光学、および炎や電気対流などの粒状媒質の力学において用いられる。スウィフト・ホーエンベルグ方程式は、ギンツブルグ・ランダウ方程式の拡張とみなすことができる。これは次のように書ける。
tqsr+sΔ2q+dr+dΔq+rq+cr+c|q|2q+qr+q|q|4q{\displaystyle \partial_{t}q=(s_{r}+is_{i})\,\Delta^{2}q+(d_{r}+id_{i})\,\Deltaq+\ell_{r}q+(c_{r}+ic_{i})|q|^{2}q+(q_{r}+iq_{i})|q|^{4}q.}
d r > 0の場合、本質的にはギンツブルグ・ランダウ方程式と同じメカニズムになります。[ 54 ] d r < 0の場合 、実スウィフト・ホーエンベルグ方程式では、同次状態とチューリングパターンの間に双安定性が見られます。DSは、同次背景上の定常で局所的なチューリング領域です。[ 55 ]これは複素スウィフト・ホーエンベルグ方程式にも当てはまりますが、伝播するDSや相互作用現象も可能であり、合体や相互浸透が観測されます。[ 56 ]

粒子の性質と普遍性

様々な系における散逸ソリトンは、普遍的な粒子のような性質を示す。後者を理解し記述するためには、散逸ソリトンの位置、速度、振幅といったゆっくりと変化する秩序パラメータに対する「粒子方程式」を、場の記述におけるすべての高速変数を断熱的に消去することで導出することが考えられる。この手法は線形系では知られているが、非線形モデルでは高速モードと低速モードの結合により数学的な問題が生じる。[ 57 ]

低次元の力学系と同様に、定常散逸ソリトンの超臨界分岐に対しては、本質的に系の対称性に依存する特徴的な正規形が見られる。例えば、対称的な定常散逸ソリトンから本質的に伝播する散逸ソリトンへの遷移に対しては、ピッチフォーク正規形が見られる。

v˙σσ0v|v|2v{\displaystyle {\dot {\boldsymbol {v}}}=(\sigma -\sigma _{0}){\boldsymbol {v}}-|{\boldsymbol {v}}|^{2}{\boldsymbol {v}}}

散逸ソリトンの速度vについて[ 58 ] 、 σは分岐パラメータ、σ0は分岐点を表す 「呼吸する」散逸ソリトンへの分岐については、ホップ正規形が求められる。

˙σσ0||2{\displaystyle {\dot {A}}=(\sigma -\sigma _{0})A-|A|^{2}A}

振動の振幅Aについてである。 [ 46 ] DSの重なりが大きすぎない限り、 「弱い相互作用」を扱うことも可能である。 [ 59 ]このようにして、実験と理論の比較が容易になる。[ 60 ] [ 61 ] 逆散乱理論は完全な解析解を与えるため、上記の問題は古典ソリトンに対しては発生しないことに注意されたい。

参照

参考文献

列をなして

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書籍と概要記事

  • N. Akhmediev と A. Ankiewicz, Dissipative Solitons , Lecture Notes in Physics, Springer, Berlin (2005)
  • N. Akhmediev と A. Ankiewicz,散逸ソリトン:光学から生物学・医学へ, Lecture Notes in Physics, Springer, Berlin (2008)
  • H.-G. Purwins他, Advances in Physics 59 (2010): 485 doi : 10.1080/00018732.2010.498228
  • AW Liehr:反応拡散系における散逸ソリトン。メカニズム、ダイナミクス、相互作用。Springer Synergeticsシリーズ第70巻、Springer、ベルリン・ハイデルベルク、2013年、ISBN 978-3-642-31250-2