the sine-gordon-equation - itp · 2017. 3. 6. · nonlinear optics k 1. seite 7 ... coupling of...
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Institut für Theoretische Physik
The Sine-Gordon-Equation
Malte Misfeldt, Morten Pfeiffer 13.05.2015
Nonlinear ODE
Origin of the SGE
Transformation
Scope of applications
Chain of pendulums
Gaussian curvature
Solving the SGE
Case Analysis of the solutions
Solitons
Soliton Collision
Modern Science
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Institut für Theoretische Physik
Malte Misfeldt, Morten Pfeiffer Proseminar Theoretische Physik 13.05.2015
Nonlinear PDE
KdV (simplified):
Solving methods:
Linearization (e.g. small-angle-approximation)
Inverse scattering method
Numerical solutions (e.g. Newton‘s method)
)()()( vFuFvuF
vvufuvufvuuufu ttt )()(0)(
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Malte Misfeldt, Morten Pfeiffer Proseminar Theoretische Physik 13.05.2015
Origin of the SGE
Energy-momentum-relation:
Schrödinger-Equation with
Klein-Gordon-Equation (spinless particles!)
Klein-Gordon-Equation with any potential V
1 with222 cmpE
withˆt
iEE
H
i
m
tp with0
2
22
2
2
0V
0'22
2
V
t
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Malte Misfeldt, Morten Pfeiffer Proseminar Theoretische Physik 13.05.2015
Origin of the SGE
Sine-Gordon-Equation:
0 )sin( xxtt)()(V
sin' and with 2
2
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Transformation
Transformation from
SGE reduces to
vutx , to ,
txv
txu
21
21
sinuv
vvuvvuuutt
vvuvvuuuxx
xv
vf
xu
uf
xf
41
41
0 )sin( xxtt
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Scope of applications
Oscillation of a chain of pendulums
Differential geometry: surface with Gaussian curvature
Solid-state physics (crystals)
Tentative model of an elementary particle
Equivalent form of the Thirring model
Nonlinear optics
1K
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Chain of pendulums
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Chain of pendulums
GF MMI
SGE 0sin
, xX
:nKoordinate geeignete
I
cc GG
XXTT
tT
MdgcctI
MdgtI
GGxt
iiiiiit
| sin
)(sin
2
2
2
2
2
2
0
11
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Gaussian curvature
surfaces with constant negative curvature
Coordinate transformation:
SGE! sin
1
1
cos
1
2
sin
2
2
222
222
uv
vuFEG
F
FEG
F
v
vu
u
uvuv FFK
xG
xxF
xE
dvGdudvFduEds
1K
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Solving the SGE…
gkeitGeschwindi :v
enskonstantIntegratio :A
1sin22
sin1
,
2
212
2
vA
dz
v
vtxztx
zz
SGE
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Case Analysis of the solutions
1. Periodical Solution, unstable
2. Periodical Solution, unstable
3. Screw-shaped Solution, stable
4. Screw-shaped Solution, stable
5. Soliton-Solution, unstable
6. Soliton-Solution, stable
1 ,20
1 ,20
2
2
vA
vA
1 ,2
1 ,0
2
2
vA
vA
1 ,0
1 ,2
2
2
vA
vA
(4 Subcases)
2
212 1sin22 vA
dz
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Solitons
Stable, localized solitary wave (wave packet / pulse)
Definition is difficult to find but:
Solitons are of a permanent form (hump-shaped)
Solitons are localized within a region
Solitons emerge from the collision unchanged (except for a
phase shift)
E.g. water waves in a canal
or smoke rings
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Soliton collision
Phase-shift (like KdV)
2
22
1cosh
1sinharctan4
vvt
vxvsol
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Soliton collision
Bäcklund transformation (for SGE)
atug vf
d
du
d
v
u
axvu
vfaua
a
a
exparctan4,
tanlog22sin2
sin
sin
41
sin2
221
221
2
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Soliton collision
2 solitons collide with 2 antisolitons
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Breather
Coupling of kink and antikink
Special form of solitons
Exact solution via inverse scattering
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Modern Science
Thirring Model
Equivalent to the quantum-SGE
Exactly solvable field equation
Josephson junction
Extremely rapid Switching element
Coupling:
Current by tunneling:
barrier , tx sincII
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Modern Science
Einstein-Bose-condensate
Particle wave
Solitons in Rubidium-condensate (350 Atoms thickness)
Dispersion: non-linear Schrödinger-Equation
Dislocation in crystals
Crystals that oszillate due to heat and pressure
Mass and energy wave as kinks
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Modern Science
Biophysics
DNA-proteins
Seperation of DNA
Double SGE:
Epilepsy
nerv pulse ↔ soliton
Medical: prognosis
22
22
cossinsin
cossinsin
xxtt
xxtt
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Modern Science
Data transfer in glass fibers
Small amplitude of light Dispersion
: solitary wave
pulse duration: PicoSec TeraBits per Seconds
Labor: 180M km of stable solitons
m 3,1
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Conclusion
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Sources
http://lie.math.brocku.ca/~sanco/solitons/index.php
http://www.mleistner.de/images/wellen1.JPG
http://en.wikipedia.org/wiki/Breather, ~/Soliton, ~/Sine-Gordon_equation
P.G. Drazin: „Solitons“ (Cambridge University Press, 1983)
Attilio Maccari: „Nonlinear Field Equations and Solitons as Particles“ (Electronic journal of theoretical
physics, 2006)
Rainer Grauer, „Die Mechanik der Sine-Gordon-Solitonen“ (Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf)
S.Aubry & P.Y.LeDaeron, „The Discrete Frenkel-Konkorova Model and its Extensions“, 1982
Isidoro Kimel, „On the Sine-Gordon-Thirring Model Equivalence at the classical level“, Sao Paulo,
1975
https://www.youtube.com/channel/UCkvAtOZ85ReX7H-Dc5WmxTA
Sidney Coleman, „Quantum-Sine-Gordon equation as the massive Thirring model“, Cambridge,
1975
David Gablinger, „Notes on the Sine-Gordon equation“, Hannover, 2007
http://www.nature.com/nature/journal/v474/n7353/images/nature10122-i1.0.jpg