opto lihat situs sponsor

Jumat, 15 Desember 2017  
 
  LIPI
depan
database
database
artikel
kegiatan
situs
info
publikasi
e-data
buku
kontak
  Artikel-artikel populer :
» daftar artikel

Berkenalan dengan Soliton
Miftachul Hadi (Puslit Fisika LIPI)

Apa itu soliton ?

Sederhananya, soliton adalah gelombang nonlinier, gelombang soliter, dalam medium nonlinier. Dapat pula dibilang, soliton adalah "gundukan" energi berhingga, stabil, menempati ruang terbatas dan tidak menyebar. Ide fisika soliton seringkali dikatakan bermula di bulan Agustus 1934 ketika seorang John Scott Russel (1808-1882), fisikawan Skotlandia, mengamati fenomena gelombang air di kanal Edinburg-Glasgow. Russel menyebut fenomena ini sebagai "gelombang besar translasi". Gelombang air tersebut menjalar dengan bentuk tak berubah, dalam rentang waktu relatif lama sepanjang kanal. Dalam kata-kata alih bahasa bebas, Russel menggambarkannya sebagai berikut :

Saya yakin akan lebih baik memperkenalkan fenomena ini dengan mendeskripsikan keadaan dari pengenalan pertama saya dengannya. Saya sedang mengamati gerak kapal yang ditarik dengan cepat sepanjang kanal sempit oleh sepasang kuda, ketika kapalnya tiba-tiba berhenti - tidak demikian halnya dengan massa air pada kanal yang telah digerakkannya; gelombang itu berakumulasi mengelilingi haluan kapal dalam keadaan golakan dahsyat, dan kemudian dengan tiba-tiba meninggalkan haluan kapal, menjalar ke depan dengan kecepatan besar, dalam bentuk gundukan air yang melanjutkan penjalarannya sepanjang kanal tanpa mengalami perubahan bentuk atau pengurangan kecepatan. Saya mengikuti gelombang itu di punggung kuda, dan setelah menyusuli, gelombang itu terus menjalar pada laju sekitar delapan atau sembilan mil per jam, dengan tetap mempertahankan bentuk awalnya, panjangnya sekitar tiga puluh kaki dan tingginya sekitar satu kaki setengah. Tingginya secara berangsur menurun, dan setelah pengejaran satu atau dua mil saya kehilangannya pada belokan kanal.

Russel juga melakukan beberapa percobaan laboratorium untuk mereproduksi gelombang soliter atau gelombang soliton ini, dalam suatu tangki gelombang, dengan cara menjatuhkan sebuah benda pada salah satu ujung tangki. Ia mendeduksi secara empirik, volume air di gelombang sama dengan volume air yang dipindahkan.

Sains soliton

Dalam kaitan dengan pekerjaan Stokes, Boussinesq, Rayleigh, Korteweg, de Vries, dan banyak yang lain, kita tahu bahwa "gelombang besar translasi" adalah bentuk khusus gelombang air permukaan. Persamaan yang mendeskripsikan penjalaran gelombang satu arah pada permukaan kanal yang dangkal diturunkan oleh Korteweg dan de Vries pada tahun 1895.

Dalam istilah yang lebih teknis, dapat dikatakan bahwa soliton adalah solusi klasik persamaan diferensial parsial nonlinier, yang memiliki energi berhingga, terlokalisasi dalam ruang, bersifat stabil dan nondispersif. Setelah interaksi nonlinier, soliton muncul kembali, mempertahankan cirinya dengan kecepatan dan bentuk yang sama, yakni bersifat stabil.

Gejala nonlinear adalah fenomena umum dalam fisika, yakni semua fenomena alam semesta bersifat nonlinear. Benda jatuh bebas, jika interaksi dengan udara diperhitungkan maka ia adalah fenomena nonlinear.

Aplikasi soliton dalam bidang sains muncul di banyak bidang. Mulai dari fisika partikel, zat padat hingga kosmologi. Dalam tinjauan partikel, dapat dibayangkan, soliton adalah rotasi-rotasi lokal, atau vorteks-vorteks dari suatu fluida yang berotasi. Semua anggota keluarga partikel yang kita kenal, semisal elektron, proton, neutron, kuark, dan anggota keluarga partikel lainnya adalah soliton, yakni vorteks-vorteks fluida. Black holes sebagai solusi persamaan nonlinear Einstein dalam teori relativitas umum yang menjelaskan struktur skala besar alam semesta adalah soliton. Dinamika elektron dalam zat padat yang menentukan sifat konduktivitas listrik, sehingga zat padat bersifat, misalnya sebagai konduktor, semikonduktor maupun isolator, dipahami sebagai dinamika soliton.

Teknologi soliton

Dalam bidang teknologi, soliton dimanfaatkan antara lain dalam bidang teknologi informasi. Pelebaran sinyal sepanjang jalur transmisi akan memperoleh manfaat dari penggunaan pulsa nondispersif. Berikut tertera tabel soliton, sains dan aplikasi:

  • Persamaan Burger dengan aplikasi di bidang akustik nonlinear dan turbulensi.
  • Persamaan Kadomtshev-Petviashvilli dan persamaan Korteweg-de Vries dengan aplikasi di bidang gelombang laut dangkal, gelombang Rossby atmosfer, jaringan transmisi listrik.
  • Persamaan Schrodinger nonlinear untuk aplikasi di bidang komunikasi serat optik tanpa repeater.
  • Persamaan medan Affine-Toda dan persamaan sine-Gordon untuk aplikasi di bidang switching superkonduktor, pulsa optik ultra pendek.
  • Persamaan Ernst untuk aplikasi di bidang kosmologi, black holes, monopol.
  • Chiral/model sigma, persamaan Skyrme untuk aplikasi di bidang partikel elementer, skyrmion, instanton.

Dalam tahun 1973, Akira Hasegawa dari Lab AT&T Bell menyarankan, soliton dapat berada dalam optik fiber. Akira juga mengajukan ide sistem transmisi berbasis soliton untuk meningkatkan performa telekomunikasi optik.

Dalam tahun 1988, Linn Mollenauer dan timnya berhasil mentransmisikan pulsa soliton sejauh lebih dari 4.000 kilometer dengan menggunakan fenomena yang disebut efek Raman untuk menyediakan bati optik dalam fiber. Dinamakan efek Raman, untuk menghargai ilmuwan India yang pertama-tama mendeskripsikan efek yang disebut dengan namanya pada tahun 1920-an.

Dalam tahun 1991, Tim Riset Lab Bell mentransmisikan soliton dengan kapasitas 2,5 gigabit sejauh lebih dari 14.000 kilometer, menggunakan penguat optik fiber erbium. Laser pompa digandeng dengan penguat optik, mengaktifkan erbium, memberi tenaga pulsa cahaya.

Dalam tahun 1998, Thierry Georges dan timnya pada France Telecom R&D Center, mengkombinasikan soliton optik dari panjang gelombang berbeda, yakni terdiri dari banyak bagian panjang gelombang, menunjukkan transmisi data 1 terabit per detik (1.000.000.000.000 satuan informasi per detik).

Dalam tahun 2001, Algety Telecom berhasil mendistribusikan perangkat telekomunikasi submarine di Eropa menggunakan gelombang soliton John Scott Russel.

Stabilitas soliton

Sebagai suatu istilah "soliton", menyiratkan gelombang ini berperilaku seperti "partikel". Ketika soliton ditempatkan terpisah satu sama lain, masing-masing soliton menjalar dengan bentuk dan kecepatan konstan. Sebagaimana dua gelombang soliton semakin mendekat, mereka secara berangsur-angsur berubah bentuk, kemudian bergabung menjadi paket gelombang tunggal; lalu segera berpisah menjadi dua gelombang soliton dengan bentuk dan kecepatan yang sama dengan sebelum terjadinya "tumbukan".

Stabilitas soliton berfungsi menyeimbangkan efek "nonlinieritas" dan "dispersi". Nonlinieritas memandu gelombang soliton untuk terlokalisasi, sedangkan dispersi menyebarkan gelombang terlokalisasi tersebut. Jika salah satu dari dua efek tersebut hilang, soliton menjadi tidak stabil dan secepatnya juga "menghilang". Dalam kaitan ini, soliton sepenuhnya berbeda dengan gelombang linier, misal, gelombang sinusoidal. Faktanya, gelombang sinusoidal bersifat tak stabil. Simulasi komputer menunjukkan bahwa gelombang sinusoidal segera "pecah" menjadi rangkaian soliton.

Soliton tiga dimensi (soliton topologi):

Skyrmion

Skyrmion adalah kandidat untuk deskripsi soliton dari inti, jumlah soliton diidentifikasi dengan bilangan baryon. Model Skyrme adalah model sigma nonlinier termodifikasi dan solusi klasiknya dikenal hanya melalui komputasi numerik. Meskipun demikian, dimungkinkan untuk menggunakan aproksimasi dimana skyrmion dapat dikonstruksi dari pemetaan rasional antara bola Riemann. Pendekatan ini bermanfaat untuk memahami struktur skyrmion. Dengan meninjau isopermukaan rapat baryon untuk berbagai muatan, terlihat beberapa skyrmion bersifat simetri. Ini dapat dipahami dalam kaitannya dengan keberadaan pemetaan rasional simetri khusus.

Monopol

Monopol muncul dalam teori gauge Yang-Mills-Higgs, sebagai soliton yang membawa muatan magnetik. Teori ini menggunakan dualitas listrik-magnetik, dimana partikel fundamental membawa muatan listrik merangkap monopol muatan magnetik. Persamaan yang mendeskripsikan monopol BPS statik dapat diintegralkan dan persamaan ini memperkenankan berbagai metode twistor untuk diterapkan dalam studi monopol. Dinamika monopol bukanlah sistem yang dapat diintegralkan, tetapi untuk monopol yang bergerak lambat dinamikanya dapat diaproksimasi dengan gerak geodesik pada ruang solusi statik moduli hyperkaler. Monopol seringkali menyerupai skyrmion dan meskipun hal ini belum dipahami dengan baik, monopol dapat juga dideskripsikan dengan menggunakan pemetaan rasional.

Simpul Soliton

Soliton distabilisasi dengan invariansi Hopf, muncul dalam model sigma termodifikasi yang dikenal sebagai model Skyrme-Faddeev. Dapat ditinjau medan tertentu untuk soliton dengan satu hingga delapan muatan Hopf. Dapat ditinjau pula beberapa soliton awal yang terdiri dari loop tunggal dimana dalam beberapa kasus dibelit, tetapi untuk soliton di atas muatan lima, kaitan dan simpul muncul. Konfigurasi muatan tujuh adalah simpul daun semanggi. Diharapkan, banyak kaitan dan simpul lain bermunculan pada muatan yang lebih tinggi.

Instanton

Instanton adalah solusi persamaan medan nonlinier yang muncul dalam teori medan Yang-Mills; sebuah generalisasi nonlinier dari teori elektromagnetik Maxwell yang diyakini memberikan deskripsi fundamental dari interaksi dan partikel elementer. Solusi instanton membawa informasi tentang quantum tunneling. Pada awalnya, instanton disebut pseudopartikel.

Dalam teori medan kuantum, instanton adalah konfigurasi medan nontrivial topologi dalam ruang Euclidean empat dimensi (sebagai rotasi Wick dari ruang-waktu Minkowski).

Secara spesifik, instanton merujuk kepada medan gauge Yang-Mills yang secara lokal mendekati gauge murni pada ketakhinggaan ruang. Hal ini berarti, kuat medan "lenyap" pada ketakhinggaan. Nama instanton diturunkan dari kenyataan, untuk sesaat medan ini terlokalisasi dalam ruang-waktu Euclidean.

» kirim ke teman
» versi cetak
revisi terakhir : 31 Maret 2005

 

  Dikelola oleh TGJ LIPI Hak Cipta © 2000-2017 LIPI