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

    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

  • Seite 2

    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)(

  • Seite 3

    Institut für Theoretische Physik

    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

  • Seite 4

    Institut für Theoretische Physik

    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

  • Seite 5

    Institut für Theoretische Physik

    Malte Misfeldt, Morten Pfeiffer Proseminar Theoretische Physik 13.05.2015

    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

  • Seite 6

    Institut für Theoretische Physik

    Malte Misfeldt, Morten Pfeiffer Proseminar Theoretische Physik 13.05.2015

    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

  • Seite 7

    Institut für Theoretische Physik

    Malte Misfeldt, Morten Pfeiffer Proseminar Theoretische Physik 13.05.2015

    Chain of pendulums

  • Seite 8

    Institut für Theoretische Physik

    Malte Misfeldt, Morten Pfeiffer Proseminar Theoretische Physik 13.05.2015

    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

  • Seite 9

    Institut für Theoretische Physik

    Malte Misfeldt, Morten Pfeiffer Proseminar Theoretische Physik 13.05.2015

    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

  • Seite 10

    Institut für Theoretische Physik

    Malte Misfeldt, Morten Pfeiffer Proseminar Theoretische Physik 13.05.2015

    Solving the SGE…

    gkeitGeschwindi :v

    enskonstantIntegratio :A

    1sin22

    sin1

    ,

    2

    212

    2

    vA

    dz

    v

    vtxztx

    zz

    SGE

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    Institut für Theoretische Physik

    Malte Misfeldt, Morten Pfeiffer Proseminar Theoretische Physik 13.05.2015

    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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    Institut für Theoretische Physik

    Malte Misfeldt, Morten Pfeiffer Proseminar Theoretische Physik 13.05.2015

    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

  • Seite 13

    Institut für Theoretische Physik

    Malte Misfeldt, Morten Pfeiffer Proseminar Theoretische Physik 13.05.2015

    Soliton collision

    Phase-shift (like KdV)

    2

    22

    1cosh

    1sinharctan4

    vvt

    vxvsol

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    Institut für Theoretische Physik

    Malte Misfeldt, Morten Pfeiffer Proseminar Theoretische Physik 13.05.2015

    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

  • Seite 15

    Institut für Theoretische Physik

    Malte Misfeldt, Morten Pfeiffer Proseminar Theoretische Physik 13.05.2015

    Soliton collision

    2 solitons collide with 2 antisolitons

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    Institut für Theoretische Physik

    Malte Misfeldt, Morten Pfeiffer Proseminar Theoretische Physik 13.05.2015

    Breather

    Coupling of kink and antikink

    Special form of solitons

    Exact solution via inverse scattering

  • Seite 17

    Institut für Theoretische Physik

    Malte Misfeldt, Morten Pfeiffer Proseminar Theoretische Physik 13.05.2015

    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

  • Seite 18

    Institut für Theoretische Physik

    Malte Misfeldt, Morten Pfeiffer Proseminar Theoretische Physik 13.05.2015

    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

  • Seite 19

    Institut für Theoretische Physik

    Malte Misfeldt, Morten Pfeiffer Proseminar Theoretische Physik 13.05.2015

    Modern Science

    Biophysics

    DNA-proteins

    Seperation of DNA

    Double SGE:

    Epilepsy

    nerv pulse ↔ soliton

    Medical: prognosis

    22

    22

    cossinsin

    cossinsin

    xxtt

    xxtt

  • Seite 20

    Institut für Theoretische Physik

    Malte Misfeldt, Morten Pfeiffer Proseminar Theoretische Physik 13.05.2015

    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

  • Seite 21

    Institut für Theoretische Physik

    Malte Misfeldt, Morten Pfeiffer Proseminar Theoretische Physik 13.05.2015

    Conclusion

  • Seite 22

    Institut für Theoretische Physik

    Malte Misfeldt, Morten Pfeiffer Proseminar Theoretische Physik 13.05.2015

    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