Introduction aux Solitons

 

 

 

 

Découverte du Soliton :

            La première observation d’un soliton fut réalisée par l’ingénieur écossais John Scott Russell en 1834. Alors qu’il se promenait à cheval le long d’un canal dans la région d’Edimbourg, un bateau qui était tiré le long de ce canal s’arrêta brusquement près de lui. Ce bateau mit en mouvement dans le canal une masse d’eau que J.S. Russell tenta de suivre. Il observa alors que cette masse d’eau prit la forme d’un paquet d’eau rond qui se propageait dans le canal sans changement de forme ni variation de vitesse. Il perdit ensuite la trace de cette « grande onde solitaire » après l’avoir suivi pendant un ou deux miles. Russell fut frappé par l’observation d’un tel phénomène et consacra ensuite une dizaine d’années de sa vie à son étude. Cependant, il fallut attendre plus de 130 ans pour que la communauté scientifique réalise l’importance de ses découvertes et approfondisse son travail.

 

 

           

   Simulation de l’observation de J.S. Russell (Heriot-Watt University, 1995)
 

 

 

 

Première définition du soliton :

 

Un soliton est une onde solitaire qui se propage dans les milieux non linéaires et dispersifs. Le soliton est une onde qui possède une énergie localisée dans l’espace et qui se révèle extrêmement stable en présence de perturbations.

Il se déplace sans changer de forme ni de caractéristique, et cela explique le fait qu’il soit assez facile de l’observer en milieu naturel. Dans le domaine de l’hydrodynamique par exemple, les tsunamis, les mascarets ou les vagues scélérates sont des manifestations bien connues des solitons.

 

Différents types de solitons :

 

Un soliton est :

        -  non topologique lorsque le milieu de propagation est dans le même état avant et après le passage de l'onde.

        -  topologique lorsque le milieu de propagation est dans des états différents avant et après le passage de l'onde.

 

Les solitons non topologiques sont ceux que l'on observe surtout en hydrodynamique (même si certains s'observent aussi en mécanique du solide), alors que les solitons topologiques concernent plutôt le domaine de la mécanique du solide (cas du kink et de l'antikink).

 

 

Applications et enjeux des solitons :

 

            Depuis le début des années 1990, les applications des solitons sont de plus en plus nombreuses :

-         En 1991, une équipe transmet des solitons sur plus de 14000 km en utilisant une technique d’amplification des signaux dans une fibre optique.

-         En 1998, une équipe du centre de recherche et développement de France Télécom combine des solitons de différentes longueurs d’ondes pour réaliser une transmission à un  débit supérieur à 1 térabit par seconde.

-         En 2000, des chimistes montrent que la conduction électrique des plastiques conducteurs est assurée par des solitons.

-         En 2004, un chercheur japonais crée les premiers solitons acoustiques. Une utilisation potentielle de ces solitons est la réduction des ondes de choc lors de l’entrée des trains dans les tunnels.

-  En 2006 des solitons sont observés au sein de cristaux d’aluminium portés à une température élevée grâce à des expériences de diffusion par des rayons X et des neutrons.

Actuellement, le principal enjeu des solitons à la fois du point de vue technique et économique se situe dans le domaine de la télécommunication.

 

            En effet, l’étude de la propagation d’un signal électromagnétique dans une fibre optique montre que les effets non-linéaires peuvent devenir importants ce qui permet la propagation de solitons. Un modèle mathématique a d’ailleurs mis en évidence le phénomène du soliton optique il y a 30 ans. Cependant, ce modèle théorique mathématique n'a pas encore pu être parfaitement adapté à la physique et développé en applications commerciales

 

            Aujourd’hui, de nombreux laboratoires de recherche en transmission de l’information travaillent sur la propagation des solitons dans les fibres optiques. En effet, le soliton ayant la capacité de se propager en gardant ses propriétés, il peut permettre de concevoir des systèmes optiques plus performants et donc d’améliorer grandement les technologies de l’information et de la communication.  [W5]

 

 

 

Résumé sur le soliton (Affiche exposée au LTDS, batiment H10, Ecole Centrale de Lyon) :