솔리톤(Soliton) ?

고립파(孤立波)라고도 함.

어떤 물리계에서 비선형적 상호작용에 의해 구속상태가 존재할 수 있는 비선형파동

------

이 개념은 1834년 존 S.러셀이 좁은 해협에서 바닷물이 어떤 특정한 파를 형성하여 오랫동안 변하지 않는 현상을 목격함으로써 처음 도입되었다. 이 파는 퍼지지 않고 안정된 성질을 가지고 있다. 이것은 1895년 D. J. 코트베그와 H. 드 브리스에 의한 2차원 비선형 유체역학의 솔리톤 해를 해석적으로 설명함으로써 성립되었다.

솔리톤은 크게 2가지 부류로 나누어지는데, 안정성의 원인에 따라 위상적 솔리톤과 비위상적 솔리톤으로 불린다. 위상적 솔리톤은 솔리톤의 존재가 공간의 위상적 성질에 의해 예견되고, 위상적으로 다른 곳으로 변환할 수 없으므로 안정성을 지닐 수 있는 경우를 말한다. 비위상적 솔리톤은 위상적 성질과 관계없이 어떤 특수한 비선형적 상호작용에 의해 솔리톤의 에너지가 그 계의 기본입자의 에너지보다 낮아 솔리톤의 존재가 안정된 경우를 말한다.

1970년대 비가역적 게이지 장론이 강작용과 약작용을 기술하는 근본이론으로 성립되었는데, 이 이론에는 일반적으로 위상적 솔리톤의 영역이 보여졌다. 자기단극(monopole)과 순간자(instanton)가 그 예로서, 자기단극은 우주론과 관계된 여러 문제를 야기시켜 새로운 우주론의 발전을 이룩했고, 순간자는 강작용의 근본 성질인 쿼크의 속박현상(confinement)을 설명해줄 것으로 여겨지며 저에너지의 강입자(hadron)들 현상에 깊은 관계가 있음이 알려지고 있다. 또한 1980년대에 들어서서 솔리톤에 의한 진공편극효과 등 여러 현상이 연구되었고, 핵자(nucleon)가 중간자들의 비선형적 상호작용에서 나오는 솔리톤이라 생각하는 이론으로 발전되었다. 이 솔리톤은 스키르미온(skyrmion)이라고도 불리는데, 양성자와 중성자 그리고 중간자와의 상호관계를 설명할 수 있는 중요이론으로, 비슷한 종류의 여러 모형이 연구되고 있다. 그러나 솔리톤에 의해 기술되는 여러 물리현상을 이해하기 위해서는 솔리톤의 양자적 성질과 실제 물리적 자유도 등 여러 문제들이 아직 남아 있다.

광통신의 이용

--

레이저빛이항상곧다면아무리작은영역이라도한가닥의빛은목표점으로직접향할겨.
고립파라고 불리는 솔리톤은 소멸하거나 분산되지 않고 파동의 형태를 유지하는 특성이 있어서 광통신 분야에서 특히 주목을 받고 있다. 미국 NIST의 과학자들은 고속 광통신을 간단히 하고 비용을 줄이는데 도움을 주는 느린 광솔리톤을 개발하였다. 최근 영국과 독일의 물리학자들은 새로운 형태의 반도체 레이저를 개발하기 위해서 솔리톤의 특성을 이용하였다. 수직-공동표면-방출 레이저(VCSEL) 안에서 생성된 다섯 개의 마이크로레이저 점이 조촐하게 나타났다. 각각의 점은 다른 솔리톤웨이브에 해당한다. 이 새로운 공동 솔리톤 레이저 (cavity soliton laser)는 광 펄스를 전기펄스로 바꿀 필요없이 데이터 개폐와 전달을 할 수 있음으로써 고속통신과 열 발생 감소를 가져다 줄 수 있다. 연구진은 이 레이저가 앞으로 광통신 시스템에서 매우 중요한 역할을 할 것으로 믿고 있다.

----

고립파라고 불리는 솔리톤은 소멸하거나 분산되지 않고 파동의 형태를 유지하는 특성이 있어서 광통신 분야에서 특히 주목을 받고 있다. 미국 NIST의 과학자들은 고속 광통신을 간단히 하고 비용을 줄이는데 도움을 주는 느린 광솔리톤을 개발하였다. 이 디바이스는 수직-공동표면-방출 레이저 (verically-cavity surface-emitting laser, VCSEL)에 기반하고 있다. VCSEL 은 독일 회사인 ULM 광학회사에서 제작되었으며 최종시스템의 조립과 분석은 영국 Strathclyde 대학의 Thorsten Ackemann 과 동료 연구진에서 수행되었다. VCSEL 은 인듐갈륨비소 (InGaAs) 와 같은 고체 반도체 물질로 된 광 동공 (cavity) 으로 이루어져 있다. 이 인듐갈륨비소 반도체물질은 다른 반도체로 만들어진 다층구조의 특수한 두 개 거울 사이에 있다. 광 공동 (optical cavity) 으로 입사된 전류는 반도체에서 빛이 방출되게 한다. 거울은 기존의 레이저에서와같이 빛을 공동을 지나 앞뒤로 반사시켜 더 많은 빛을 방출시킨다. 레이저 빛의 약간은 거울 중의 하나를 통하여 벗어나게 된다. 이와같은 방법으로 레이저를 작동하는 대신, 연구진은 레이저 빛이 방출되지 않게 작은 전류를 디바이스에 걸어주었다. 이 디바이스는 외부공동안에서 반사되는 빛의 주파수를 결정하는 회절격자를 포함하는 외부 광공동과 연결되었다. 이 주파수는 VCSEL 안의 빛 주파수와는 약간 다르게 설정되었다. 연구진은 외부 레이저로 VCSEL 공동안의 지름이 12마이크로미터 크기인 작은 목표점을 향해 레이저 펄스를 발사시켰다. 발사된 레이저 펄스는 목표점의 굴절률의 변화시켜 목표점 영역의 VCSEL의 공명 주파수를 외부 공동의 공명 주파수와 같게 만들었다. 이것은 VCSEL 의 영역안에서 밝은 광점을 형성시킨다. 이 점을 솔리톤이라고 부르는데, 그 이유는 레이저빛이 맞춘 지역에 갇혀서 공동의 다른 부분으로 퍼지지 않는 고립파이기 때문이다. 이렇게 되는 이유는 솔리톤 빛이 굴절률을 계속해서 변화시켜 솔리톤 영역 밖의 굴절률의 계단-변화 (step-change)가 솔리톤을 물질의 다른 영역으로 움직이지 못하게 하기 때문이다. 빛이 작은 영역에 제한되어 있기 때문에 빛의 세기가 급속히 증가하게 되고 작은 레이저가 그 지점에서 형성된다. 이때 같은 영역에 두 번째 레이저펄스를 발사시켜 굴절률을 더 변화시켜 솔리톤을 파괴함으로써 레이저를 제거할 수 있다. 이 과정은 VCSEL 안의 여러 위치에서 반복될 수 있기 때문에 일종의 마이크로 레이저 세트가 형성되는 것이다. 현재 디바이스는 파장이 980나노미터인 근적외선을 방출한다. 반면에 통신 디바이스는 파장이 1.2마이크로미터보타 큰 영역에서 작동한다. Ackemann 은 통신 파장에서 작동하는 공동 솔리톤 레이저를 제작하는데 근본적인 문제는 없다고 말하였다. 지난달, Strathclyde 그룹과 유럽의 공동 연구진은 비슷한 공동 솔리톤 디바이스로 빛 펄스의 진행을 지연시키는 것을 시연하였다. Ackemann 와 연구진은 빛을 지연시키고 개폐할 수 있는 공동 솔리톤 레이저를 개발할 예정이다. 이들의 연구 성패는 고질의 VCSEL 구조를 제작하는 데 달렸다. 이 디바이스는 상업용 반도체 레이저를 만드는데 사용되는 분자빔 에피탁시 (molecular beam epitaxy) 방법으로 만들어졌다. Ackemann 은 공동 솔리톤 레이저를 만드는 과정이 비록 어렵지만 가능하다고 말하였다.

-------

솔리톤

입자처럼 행동하는 고립파

에너지가 집중되어 안정한 덩어리로서 전파되어 가는 비선형 파동(非線形波動)이다. 솔리톤이 서로 충돌할 때에는 솔리톤은 부서지지 않고 서로 통과시키고, 매질에 불균일성이나 불순물이 개재되어 있어도 그다지 크게 산란되지 않고 그대로 전파해 간다. 이러한 뜻에서 안정하다. 일정한 깊이 h인 도랑 또는 운하에서 파동을 일으키면, 단 하나의 파동의 산마루가 모양을 바꾸지 않고 일정한 속력으로 전파한다는 것을 1844년 영국의 J.S.러셀이 실험적으로 발견하여 이것을 솔리톤이라 불렀다.

솔리톤 광 전송

광섬유 속을 전파하는 광 펄스에도 솔리톤으로 나타난다는 사실을 미국 AT&T 산하 벨 연구소의 연구 결과로 알게 되었다.
광섬유 속을 전파하는 광 펄스의 폭은 광섬유의 파장 분산에 의해 보통은 넓어진다.
그것은 단파장 쪽이 빨리 진행하기 때문이다.
그러나 이것이 솔리톤의 경우에는 폭이 넓어지지 않고 일정한 상태 그대로이기 때문에,이론적으로는 펄스의 폭을 무한정으로 좁게 할 수 있어서 전송 속도를 높일 수 있다.
광섬유 속에서는 펄스의 강도 등 어떤 조건에서 펄스 폭이 수축하는 위상 변조 효과가 발생한다.
이 펄스 폭의 수축과 확산이 균형을 이루게 되면 펄스는 형이 변하지 않는 광 솔리톤으로 된다.
또 광섬유의 광 손실로 감쇄되는 정도와 펄스 폭의 수축·확산을 미리 감안하여 송출하는 동적 솔리톤(dynamic soliton)은 1990년에 일본의 NTT가 발표하였는데,이것을 이용하는 것이 광 솔리톤 통신이다.
일본의 NTT와 KDD,미국의 AT&T,영국의 BT 등이 광 솔리톤 통신을 장래의 고속 대용량 통신 기술로서 연구하고 있다.
이미 20~100GHz는 실험실 연구가 완료되었다.
KDD는 1994년에 20GHz로 1만 km 전송하는 데 성공하였고,NTT는 1995년에 80GHz로 500km 전송하는 실험에 성공하였다.
한편 AT&T사는 이에 앞서 1993년에 20GHz로 1만 3천km 전송하는 실험에 성공한 것으로 알려지고 있다.

-----

1)일정한 깊이h인 도랑 또는 운하에서 파동을 일으키면, 단 하나의 파동의 산마루가

모양을 바꾸지 않고 일정한 속력으로 전파한다는 것을 1834년 스코틀랜드 출신의 선

박기술자 J,S,러셀이 실험적으로 처음 발견하였다. 존 스콧 러셀은 실험중 뱃머리에

서 생긴 파 하나가 빠른 속도로 소멸되지 않고 운하를 진행하는 것을 보고 이 파

를 "운반파(wave of translation)"라 불렀고 이것이 솔리톤에 대한 최초의 보고였다.

2)1976년 안다만 해안에서 석유탐사 중 바다속에서 심한 요동이 일어났는데 바다속에

서도 소리톤이 생기는 이유는 염분 농도와 수온이 균일하지 않아서 밀도가 고르지 않

기 때문이다. 수온이 높고 농도가 낮은 바닷물(담수가 많음)과 그렇지 않은 해수가

경계층을 형성해 진동을 받으면 긴 내부파인 솔리톤이 생성된다.

3)1987년 6월 미국에서 거대한 공기파가 대륙을 횡단한 제트기류. DNA의 활동, 블랙
홀의 생성등.

4)1991년 벨 연구소에서 하나의 회선으로 50만 통의 전화를 동시에 전송한 장치의 개발.

5)지하2백㎞밑에서 액체 마그마가 지면을 뚫고 솟아오르는 힘: 마그마가 상승하는 힘과

맨틀이 미치는 힘이 서로 균형을 이루는 경우

6)동맥혈관을 흐르는 혈액은 심장 박동의 수축과 팽창을 되풀이하고, 이 수축과 팽창은

혈관벽을 찌르면서 혈관속에 흐르는 혈액을 솔리톤의 형태로 전달한다. 등 여러현상

에서 발견되고 있다.

7)바다에서 만들어지는 해일은 해저의 지각변동이나 화산에 의해 만들어 지는데, 해일은

해안에 가까워지면 비선형효과가 더욱 커져 솔리톤 파를 형성해 큰 피해를 입힌다.

일본에서 만들어지는 해일은 태평양을 가로질러 칠레나 페루에 전해지는 솔리톤인 해일이

일어난다.

8)플라스마(같은 크기의 양, 음전하 틴입자 집단이 높은 밀도의 기체 형태의 분포상태)

내부에서도 생성.
-----

수학과 물리학계에서 "수수께끼의 파동"으로 화제가 되고 있는 입자는 아니지만 행동하는

부서지지않는 고립파인 솔리톤(soliton)는 에너지가 집중되어 안정한 덩어리로서 전파되어가는

비선형파동(非線形波動)이다. 솔리톤이 서로 충돌할 때에는 솔리톤은 부서지지않고

서로 통과시키고, 매질에 불균일성이나 불순물이 개재되어 있어도 그다지 크게 산란

(분산)되지 않고 그대로 전파해간다.

솔리톤이란 이름은 코르데베크-드프리스 방정식을 수치적으로 푸는데 몰두했던

노만,J,자브스키와 마틴 크러스칼이 "고립된 파(solitary wave)의 입자"에서 유래되었다.

솔리톤을 비롯해서 대부분의 파는 주기적인 것이라면 삼각함수(sine, cosine)의 조합

(푸리에급수)으로 나타낼 수 있는데 대부분의 파는 각각의 매질에서 서로 다른 위상

속도로 대칭적인 모양을 유지한 채 그폭이 조금씩 넓게 퍼지는 "분산"현상이 일어나

소멸한다. 그러나, 솔리톤은 일정하게 모양을 유지한다. 이는 솔리톤이 비선형효과때문이다.
======