Физики научились заставлять волны внутри полости сложной формы самостоятельно выстраиваться в устойчивые замкнутые маршруты вместо хаотичных отражений. В работе, опубликованной 28 сентября в Nature Physics, исследователи экспериментально получили так называемые гиперболические волновые аттракторы. Такой режим в перспективе может пригодиться для компактных фотонных схем, сортировки сигналов, высокочувствительных биосенсоров и аналоговых вычислений.
Обычно сложная геометрия делает поведение волн менее предсказуемым. Свет, звук или механическая волна многократно отражаются от стенок неправильной формы, а небольшое изменение начальных условий быстро приводит к совершенно другой траектории. В физике подобные системы называют динамическими бильярдами, и возникающий волновой хаос мешает точно управлять распространением энергии.
Команда Advanced Science Research Center Городского университета Нью-Йорка показала, что гиперболическая среда способна перевернуть привычную картину. В такой среде волны распространяются не во всех направлениях одинаково, а преимущественно вдоль строго определённых траекторий. Если поместить гиперболическую среду в асимметричную полость, последовательные отражения постепенно сводят множество возможных путей к устойчивому геометрическому рисунку.
Исследователи назвали получившиеся структуры гиперболическими волновыми аттракторами. В отличие от обычного резонанса, для которого размер полости должен соответствовать определённой длине волны, найденный режим остаётся широкополосным и масштабно-инвариантным. Геометрия траектории сохраняется в широком диапазоне параметров, а волна после серии отражений сходится к одному устойчивому маршруту.
Ещё одно необычное свойство связано с хиральностью. Траектория получает определённое направление вращения, по или против часовой стрелки. Направление задаёт совместное нарушение зеркальной симметрии самой среды и геометрии полости. Авторы также показали переходы между различными состояниями аттрактора и проверили устойчивость режима к дефектам структуры.
Эксперимент проводили не со светом, а с механическими колебаниями. Учёные изготовили специальный метаматериал в виде поверхности с массивом миниатюрных столбиков. Его внутренняя архитектура заставляла упругие волны распространяться в сильно ограниченных направлениях. Полость с наклонной границей нарушала симметрию, после чего колебания сходились к рассчитанной устойчивой траектории. Численные модели и эксперимент показали одинаковый характер формирования аттрактора.
Исследователи также продемонстрировали принцип сортировки частот. Разные частоты формируют разные пространственные рисунки, поэтому геометрия аттракторов позволяет разделять волновые сигналы без традиционного набора крупных резонаторов. Авторы рассматривают такой подход как основу для более компактных устройств обработки сигналов.
Идея появилась не на пустом месте. Похожие волновые аттракторы давно изучают в океанографии. В стратифицированной воде, где плотность меняется с глубиной, внутренние волны необычно отражаются от наклонного дна и могут концентрироваться вдоль замкнутых маршрутов. Новая работа переносит похожую физику из жидкостей в искусственно созданную твёрдую структуру, где параметры гораздо проще задавать и контролировать.
Механический образец служит прежде всего экспериментальным доказательством принципа. Авторы считают, что та же математика применима к электромагнитным и оптическим системам, включая двумерные материалы вроде гексагонального нитрида бора и триоксида молибдена. Такие кристаллы поддерживают гиперболические фононные поляритоны, гибридные возбуждения света и колебаний кристаллической решётки, способные удерживать электромагнитное поле на масштабах значительно меньше длины волны свободного света.
Сильная локализация поля делает гиперболические среды особенно интересными для сенсоров. Концентрация электромагнитной энергии в небольшой области усиливает взаимодействие света с находящимися рядом молекулами, поэтому исследователи рассматривают волновые аттракторы как потенциальную основу высокочувствительных биосенсоров. Готового медицинского сенсора новая работа пока не представляет, речь идёт о физическом механизме, который ещё предстоит перенести в практические оптические устройства.
Среди других возможных применений авторы называют малопотерные нанофотонные схемы, управление микроскопическими частицами светом и волновые аналоговые вычисления. Главный результат исследования пока фундаментальный. Вместо борьбы с хаотическими отражениями инженеры могут использовать сочетание геометрии и анизотропных свойств материала, чтобы волна сама сходилась к заранее спроектированному устойчивому маршруту.
