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The fractional nonlinear Schrödinger equation: Soliton turbulence, modulation instability, and extreme rogue waves

畸形波 物理 不稳定性 非线性系统 非线性薛定谔方程 调制不稳定性 孤子 振幅 湍流 调制(音乐) 量子电动力学 经典力学 统计物理学 量子力学 机械 声学
作者
Ming Zhong,Weifang Weng,Boling Guo,Zhenya Yan
出处
期刊:Chaos [American Institute of Physics]
卷期号:35 (1) 被引量:7
标识
DOI:10.1063/5.0242142
摘要

In this paper, we undertake a systematic exploration of soliton turbulent phenomena and the emergence of extreme rogue waves within the framework of the one-dimensional fractional nonlinear Schrödinger (FNLS) equation, which appears in many fields, such as nonlinear optics, Bose-Einstein condensates, plasma physics, etc. By initiating simulations with a plane wave modulated by small noise, we scrutinized the universal regimes of non-stationary turbulence through various statistical indices. Our analysis elucidates a marked increase in the probability of rogue wave occurrences as the system evolves within a certain range of Lévy index α, which can be ascribed to the broadened modulation instability bandwidth. This heightened probability of extreme rogue waves is corroborated through multiple facets, including wave-action spectrum, fourth-order moments, and probability density functions. However, it is crucial to acknowledge that a decrease in α also results in a reduction in the propagation speed of solitons within the system. Consequently, only high-amplitude solitons with non-zero background are observed, and the occurrence of collisions that could generate higher-amplitude rogue waves is suppressed. This introduces an inverse competitive mechanism: while a lower α expands the bandwidth of modulation instability, it concurrently impairs the mobility of solitons. Our findings contribute to a deeper understanding of the mechanisms driving the formation of rogue waves in nonlinear fractional systems, offering valuable insights for future theoretical and experimental studies.
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