Устойчивость солитонов щелевого типа в нелинейном уравнении Шрёдингера с периодическим потенциалом и отталкивающей нелинейностью

 pdf (337K)

Работа посвящена изучению устойчивости стационарных локализованных мод (солитонов щелевого типа) в одномерном нелинейном уравнении Шрёдингера (НУШ) с периодическим потенциалом и отталкивающей нелинейностью. Рассмотрены два класса решений: связанное состояние пары простейших щелевых солитонов из первой запрещенной зоны линейного спектра, находящихся в одной фазе или в противофазе и разделенных некоторым количеством пустых потенциальных ям. Для таких решений с помощью метода коллокации Фурье (Fourier collocation method) и метода функции Эванса (Evans function method) посчитаны линейные спектры задачи об устойчивости. Обнаружено, что если число разделяющих потенциальных ям между щелевыми солитонами нечетно (четно), то решения в одной фазе (в противофазе) экспоненциально неустойчивы. В этом случае, действительные части неустойчивых собственных значений в соответствующих спектрах экспоненциально убывают с ростом числа разделяющих периодов между щелевыми солитонами. С другой стороны, если число разделяющих потенциальных ям четно (нечетно), то решения в одной фазе (в противофазе) линейно устойчивы вдали от верхней границы первой запрещенной зоны, либо демонстрируют слабую осцилляторную неустойчивость вблизи границы запрещенной зоны. Для проверки результатов линейного анализа, был проведен численный счет НУШ с помощью конечно-разностной схемы. В результате эволюции, все рассмотренные в работе экспоненциально неустойчивые щелевые солитоны деформировались в пульсирующие объекты, тогда как устойчивые решения сохранили свой профиль в течение всего времени эксперимента.

Ключевые слова: нелинейное уравнение Шрёдингера, периодический потенциал, локализованные решения, устойчивость
Цитата: Вестник Удмуртского университета. Математика. Механика. Компьютерные науки, 2016, т. 26, вып. 4, с. 591-602
DOI: 10.20537/vm160412

Stability of gap soliton complexes in the nonlinear Schrödinger equation with periodic potential and repulsive nonlinearity

The work is devoted to numerical investigation of stability of stationary localized modes (“gap solitons”) for the one-dimentional nonlinear Schrödinger equation (NLSE) with periodic potential and repulsive nonlinearity. Two classes of the modes are considered: a bound state of a pair of in-phase and out-of-phase fundamental gap solitons (FGSs) from the first bandgap separated by various numbers of empty potential wells. Using the standard framework of linear stability analysis, we computed the linear spectra for the gap solitons by means of the Fourier collocation method and the Evans function method. We found that the gap solitons of the first and second classes are exponentially unstable for odd and even numbers of separating periods of the potential, respectively. The real parts of unstable eigenvalues in corresponding spectra decay exponentially with the distance between FGSs. On the contrary, we observed that the modes of the first and second classes are either linearly stable or exhibit weak oscillatory instabilities if the number of empty potential wells separating FGSs is even and odd, respectively. In both cases, the oscillatory instabilities arise in some vicinity of upper bandgap edge. In order to check the linear stability results, we fulfilled numerical simulations for the time-dependent NLSE by means of a finite-difference scheme. As a result, all the considered exponentially unstable solutions have been deformed to long-lived pulsating formations whereas stable solutions conserved their shapes for a long time.

Keywords: nonlinear Schrödinger equation, periodic potential, gap, solitons stability
Citation in English: Bulletin of Udmurt University. Mathematics, Mechanics, Computer Science, 2016, vol. 26, issue 4, pp. 591-602

Журнал индексируется в Scopus

Журнал входит в базы данных zbMATH, MathSciNet

Журнал включен в базу данных Russian Science Citation Index (RSCI) на платформе Web of Science

Журнал включен в перечень ВАК.

Электронная версия журнала на Общероссийском математическом портале Math-Net.Ru.

Журнал включен в Crossref