Ein leicht salziger Geruch liegt in der Luft, das Meer rauscht, und am Strand brechen sich Wellen und werfen Gischt in den Wind. Seit jeher beobachten Menschen dieses Schauspiel. Doch neben den vertrauten Wasserwellen gibt es auch ganz andere Formen von Wellen: sogenannte Solitonen. Diese ungewöhnlichen Wellenpakete bewegen sich, ohne ihre Form zu verändern. Bisher wurden solche Phänomene jedoch lediglich in eindimensionalen Strukturen beobachtet, etwa in schmalen Kanälen. Nun ist einem Team um den Physiker Davide Pierangeli von der Sapienza‑Universität Rom ein Durchbruch gelungen: Es hat erstmals ein zweidimensionales Soliton realisiert.

Gewöhnliche Wellen folgen aus mathematischer Sicht linearen Gleichungen. Treffen zwei von ihnen aufeinander, addieren sich ihre Höhen – weshalb sich Meereswellen unablässig überlagern und ihre Form stetig ändern. Solitonen hingegen verhalten sich nichtlinear: Sie behalten eine stabile Form und können sogar miteinander kollidieren, ohne Schaden zu nehmen. »Echte Solitonen haben eine elegante mathematische Formulierung, die ihr Verhalten deterministisch macht«, sagte Pierangeli gegenüber dem Magazin »Physics«.

Tatsächlich gibt es mehrere Varianten von Solitonen – je nachdem, welche nichtlineare Gleichung sie im Detail erfüllen. Die meisten davon sind allerdings lediglich in einer Raumdimension stabil und können nicht auf zweidimensionalen Oberflächen entstehen. Doch 1979 bewiesen zwei Forscher, dass sogenannte Lump-Solitonen (eine seltene zweidimensionale Lösung der Kadomtsev‑Petviashvili‑Gleichung) auch in zwei Dimensionen existieren könnten. Experimentell ließ sich ein solches 2D‑Soliton aber nie beobachten. Der Grund: In Flüssigkeiten entstünde es nur bei extrem hoher Oberflächenspannung, die in der realen Welt praktisch nicht vorkommt.

Licht statt Wasser

Deshalb wich das Forschungsteam um Pierangeli auf ein optisches System aus. Auch Licht kann sich wellenartig verhalten und unter den richtigen Bedingungen nichtlineare Eigenschaften annehmen. Wie die Forschenden in ihrer bei »Physical Review Letters« erschienenen Arbeit erklären, schickten sie dafür einen Laserstrahl durch einen »photorefraktiven« Kristall, dessen Brechungsindex von der Lichtintensität abhängt. Dadurch lässt sich das Verhalten des Lichts so verändern, dass es der nichtlinearen Kadomtsev‑Petviashvili‑Gleichung folgt, aus der theoretisch ein Lump‑Soliton entsteht.

Mit einem programmierbaren Spiegel, einem »spatial light modulator«, formte das Team den Lichtstrahl am Eingang des Kristalls, damit er der Anfangsform eines Lump‑Solitons entspricht. Während das Licht sich durch das Material ausbreitete, zeichnete eine Kamera am Ausgang seine Intensität auf. 

Das Ergebnis: Das Licht behielt während seiner Ausbreitung sowohl seine Form als auch seine Intensität bei – ein zentrales Kennzeichen eines Solitons. Als die Forschenden zwei solcher Licht‑Solitonen aufeinander zulaufen ließen, beobachteten sie eine elastische Kollision: Die beiden Wellenpakete verschmolzen kurzzeitig und traten anschließend wieder voneinander getrennt hervor – unverändert und ohne Energieverlust.

Mit diesem Experiment haben die Fachleute erstmals ein zweidimensionales Soliton realisiert, das bislang nur als mathematisches Konstrukt existierte. Die Studie eröffnet damit den Weg zu neuartigen Untersuchungen nichtlinearer Wellenphänomene in höheren Dimensionen.