Учёные обнаружили, как волны находят порядок в хаотичных полостях благодаря гиперболическим материалам

Когда свет или звук отражаются внутри комнаты необычной формы, их поведение становится непредсказуемым — это классическая физическая задача, известная как динамический бильярд. Но новое исследование, опубликованное в журнале Nature Physics, демонстрирует совершенно иной результат, когда волны проходят через специальные материалы.

Что такое гиперболические материалы

Гиперболические материалы получили своё название от математической кривой гиперболы благодаря характерной форме, которую они придают световым волнам. Эти материалы обладают необычными свойствами: они заставляют волны распространяться вдоль узких, чётко определённых направлений вместо того, чтобы распространяться свободно во всех направлениях. В обычных материалах волна отражается от поверхности под тем же углом, под которым она пришла. В гиперболических материалах исходящее направление волны может существенно отличаться от ожидаемого.

Открытие гиперболических волновых аттракторов

Исследователи под руководством Андреа Алю, директора Инициативы фотоники в CUNY ASRC, обнаружили структуры, которые они назвали «гиперболическими волновыми аттракторами». Вопреки ожиданиям, что сложная полость должна создавать сложные, хаотичные волновые паттерны, произошло противоположное. Необычное распространение и отражение волн создают сильную геометрическую организацию, порождая чётко определённые пути, которые сохраняются в широком диапазоне длин волн.

Как волны организуются в стабильные траектории

Волны внутри полости постепенно организуются в замкнутые траектории. Эти пути стабильны и масштабно-инвариантны, что означает: их геометрическая структура сохраняется на разных масштабах. Эффект возникает из-за нарушения зеркальной симметрии в процессе отражения волн. По мере того как волны отскакивают внутри полости, их длины волн прогрессивно сокращаются, создавая условия для формирования аттракторов.

Свойство «рукости» волновых паттернов

Результирующие волновые паттерны обладают свойством, называемым «рукостью» — оно описывает, вращается ли определённая траектория волны внутри полости по часовой стрелке или против часовой стрелки. Рукость и стабильность аттракторов связаны с необычной геометрией распространения волн в гиперболическом материале. Исследователи продемонстрировали эти эффекты, создав вибрации в механическом метаматериале — искусственной структуре, разработанной для управления распространением волн.

Параллели с океанографией и потенциальные применения

Результаты исследователей имеют параллели с внутренними волновыми аттракторами, изучаемыми в океанографии и гидродинамике. В океанах волны, проходящие через воду с градиентами плотности, могут отражаться необычным образом от подводных склонов, фокусируя энергию в замкнутые пути. Новое исследование переносит этот феномен на настольную платформу твёрдого метаматериала, показывая, как концепции из геофизической гидродинамики могут быть исследованы в инженерных материалах.

Будущие применения

В будущем гиперболические волновые аттракторы могут быть использованы при проектировании компактных оптических чипов, устройств для разделения оптических сигналов, систем захвата частиц, аналоговых волновых вычислительных платформ и высокочувствительных биологических датчиков. Исследователи также отмечают, что их подход может распространяться на гиперболические фотонные поляритоны — гибридные возбуждения свет-материя, возникающие в естественных двумерных анизотропных кристаллах, таких как гексагональный нитрид бора и триоксид молибдена.

Исследование проводилось учёными из CUNY ASRC, Института Ланжевена при ESPCI Paris PSL (Франция) и Амстердамского университета (Нидерланды). Это данные исследования, опубликованного в Nature Physics, а не инженерный или физический совет.