Rogue waves in a two-component Manakov system with variable coefficients and an external potential

We construct rogue waves (RWs) in a coupled two-mode system with the self-focusing nonlinearity of the Manakov type (equal SPM and XPM coefficients), spatially modulated coefficients, and a specially designed external potential. The system may be realized in nonlinear optics and Bose-Einstein condensates. By means of a similarity transformation, we establish a connection between solutions of the coupled Manakov system with spatially-variable coefficients and the basic Manakov model with constant coefficients. Exact solutions in the form of two-component Peregrine and dromion waves are obtained. The RW dynamics is analyzed for different choices of parameters in the underlying parameter space. Different classes of RW solutions are categorized by means of a naturally introduced control parameter which takes integer values.Comment: 9 pages, 5 figure

Light bullets in the spatiotemporal nonlinear Schrodinger equation with a variable negative diffraction coefficient

We report approximate analytical solutions to the (3+1)-dimensional spatiotemporal nonlinear Schr\"odinger equation, with the uniform self-focusing nonlinearity and a variable negative radial diffraction coefficient, in the form of three-dimensional solitons. The model may be realized in artificial optical media, such as left-handed materials and photonic crystals, with the anomalous sign of the group-velocity dispersion (GVD). The same setting may be realized through the interplay of the self-defocusing nonlinearity, normal GVD, and positive variable diffraction. The Hartree approximation is utilized to achieve a suitable separation of variables in the model. Then, an inverse procedure is introduced, with the aim to select a suitable profile of the modulated diffraction coefficient supporting desirable soliton solutions (such as dromions, single- and multilayer rings, and multisoliton clusters). The validity of the analytical approximation and stability of the solutions is tested by means of direct simulations

Exact solutions and excitations for the Davey-Stewartson equations with nonlinear and gain terms

We study the general (2+1)-dimensional Davey-Stewartson (DS) equations with nonlinear and gain terms and acquire explicit solutions through variable separation approach. In particular, we deduce some main novel excitations for the DS equations, and further demonstrate different features of these excitations. More importantly, the similar solutions and excitations can be predicted to exist in other related revolution equations such as nonlinear Schr\"odinger equation to explain the Bose-Einstein condensation.Comment: 11 pages, 5 figure

Solitary wave fission and fusion in the (2+1)-dimensional generalized Broer–Kaup system

Via a special Painlevé–Bäcklund transformation and the linear superposition theorem, we derive the general variable separation solution of the (2 + 1)-dimensional generalized Broer–Kaup system. Based on the general variable separation solution and choosing some suitable variable separated functions, new types of V-shaped and A-shaped solitary wave fusion and Y-shaped solitary wave fission phenomena are reported

Integrability, rational solitons and symmetries for nonlinear systems in Biology and Materials Physics

[ES] Los sistemas no lineales constituyen un tema de investigación de creciente interés en las últimas décadas dada su versatilidad en la descripción de fenómenos físicos en diversos campos de estudio. Generalmente, dichos fenómenos vienen modelizados por ecuaciones diferenciales no lineales, cuya estructura matemática ha demostrado ser sumamente rica, aunque de gran complejidad respecto a su análisis. Dentro del conjunto de los sistemas no lineales, cabe destacar un reducido grupo, pero a la vez selecto, que se distingue por las propiedades extraordinarias que presenta: los denominados sistemas integrables. La presente tesis doctoral se centra en el estudio de algunas de las propiedades más relevantes observadas para los sistemas integrables. En esta tesis se pretende proporcionar un marco teórico unificado que permita abordar ecuaciones diferenciales no lineales que potencialmente puedan ser consideradas como integrables. En particular, el análisis de integralidad de dichas ecuaciones se realiza a través de técnicas basadas en la Propiedad de Painlevé, en combinación con la subsiguiente búsqueda de los problemas espectrales asociados y la identificación de soluciones analíticas de naturaleza solitónica. El método de la variedad singular junto con las transformaciones de auto-Bäcklund y de Darboux jugarán un papel fundamental en este estudio. Además, también se lleva a cabo un análisis complementario basado en las simetrías de Lie y reducciones de similaridad, que nos permitirán estudiar desde esta nueva perspectiva los problemas espectrales asociados. Partiendo de la archiconocida ecuación de Schrödinger no lineal, se han investigado diferentes generalizaciones integrables de dicha ecuación con numerosas aplicaciones en diversos campos científicos, como la Física Matemática, Física de Materiales o Biología.[EN] Nonlinear systems emerge as an active research topic of growing interest during the last decades due to their versatility when it comes to describing physical phenomena. Such scenarios are typically modelled by nonlinear differential equations, whose mathematical structure has proved to be incredibly rich, but highly nontrivial to treat. In particular, a narrow but surprisingly special group of this kind stands out: the so-called integrable systems. The present doctoral thesis focuses on the study of some of the extraordinary properties observed for integrable systems. The ultimate purpose of this dissertation lies in providing a unified theoretical framework that allows us to approach nonlinear differential equations that may potentially be considered as integrable. In particular, their integrability characterization is addressed by means of Painlevé analysis, in conjunction with the subsequent quest of the associated spectral problems and the identification of analytical solutions of solitonic nature. The singular manifold method together with auto-Bäckund and Darboux transformations play a critical role in this setting. In addition, a complementary methodology based on Lie symmetries and similarity reductions is proposed so as to analyze integrable systems by studying the symmetry properties of their associated spectral problems. Taking the ubiquitous nonlinear Schrödinger equation as the starting point, we have investigated several integrable generalizations of this equation that possess copious applications in distinct scientific fields, such as Mathematical Physics, Material Sciences and Biology

Polinomios biortogonales y sus generalizaciones: una perspectiva desde los sistemas integrables

La conexión existente entre los polinomios ortogonales y otras ramas de la matemática, la física o la ingeniería es verdaderamente asombrosa. Además, no hay mejor prueba de la utilidad de estos que el propio crecimiento, avance perpetuo y generalización en diversas direcciones de lo que se entendía por polinomio ortogonal en los albores de la teoría. Conforme el concepto se fue generalizando, también fueron evolucionando las técnicas para su estudio, algunas de estas claramente influenciadas por aquellas disciplinas matemáticas con las que iban surgiendo conexiones. La perspectiva que esta tesis adopta frente a los polinomios ortogonales es un ejemplo de este tipo de influencias, compartiendo herramientas y entrelazandose con la teoría de los sistemas integrables. Una posición privilegiada en esta tesis la ocuparían las matrices de Gram semi in nitas; cada cual asociada a una forma sesquilineal adaptada al tipo de biortogonalidad en cuestión. A estas matrices se les impondrán una serie de condiciones cuyo objeto sería el de garantizar la existencia y unicidad de las secuencias biortogonales asociadas a las mismas. El siguiente paso consistiría en buscar simetrías de estas matrices de Gram. Existen dos razones por las que este esfuerzo resulta ventajoso. En primer lugar, cada simetría encontrada podría traducirse en propiedades de las secuencias biortogonales, por ejemplo: una estructura Hankel de la matriz es equivalente a gozar de la recurrencia a tres términos de los polinomios ortogonales; la simetría propia de las matrices asociadas a pesos clásicos (Hermite, Laguerre, Jacobi) implica la existencia del operador diferencial lineal de segundo orden de que los polinomios clásicos son solución; etc..