Физики показали, что волны внутри полости сложной формы можно заставить самостоятельно собираться в устойчивые замкнутые траектории вместо обычного хаотического рассеяния. В эксперименте такой режим возник в гиперболическом метаматериале, который жёстко ограничивает направления распространения волн. Авторы назвали получившиеся устойчивые структуры гиперболическими волновыми аттракторами.
В обычном материале волна отражается от границы по знакомому правилу: угол падения равен углу отражения. Если поместить источник в полость неправильной формы, многократные отражения быстро создают сложную картину, крайне чувствительную к начальным условиям. Даже небольшое изменение положения источника или направления распространения способно полностью изменить дальнейший путь волны.
Гиперболические метаматериалы ведут себя иначе. Сильная анизотропия разрешает волнам распространяться лишь вдоль определённых направлений, поэтому наклонная стенка меняет их движение не так, как граница обычного материала. Сочетание необычных правил распространения и асимметричной геометрии полости постепенно сводит множество отражений к устойчивому геометрическому рисунку.
По мере отражений волны сходятся к замкнутым траекториям, причём положение источника не определяет конечную форму рисунка. Исследователи получили одинаковый аттрактор при возбуждении волн из разных точек, что подтвердили расчёты, моделирование и физический эксперимент. Такой режим отличается и от обычного резонанса, при котором структура поля сильно зависит от частоты и размеров резонатора.
Возникающий рисунок сохраняет геометрическую форму в широком диапазоне частот и при изменении масштаба. Авторы также обнаружили у аттракторов определённое направление обхода: волна сходится к траектории по часовой стрелке либо против неё. Такая хиральность появляется из-за одновременного нарушения зеркальной симметрии геометрией полости и самим гиперболическим материалом.
Для проверки идеи исследователи использовали упругие волны в искусственной поверхности с массивом небольших механических элементов. Такая структура позволила управлять направлением распространения колебаний и непосредственно наблюдать формирование аттрактора. Предварительные результаты этой системы физики демонстрировали ещё до публикации полной работы.
Эксперименты также показали, что волновой рисунок сохраняется при дефектах структуры. Кроме того, при изменении параметров системы аттрактор способен переходить между разными устойчивыми конфигурациями. Авторы описывают такие перестройки как фазовые переходы аттрактора.
Одним из практических результатов стал прототип устройства для разделения частот. Разные частоты формируют разные пространственные траектории, поэтому метаповерхность может направлять колебания в различные области без крупного традиционного резонатора. Исследователи рассматривают такой принцип как основу для компактных систем обработки сигналов и датчиков.
Пока эффект экспериментально проверили на механических колебаниях, однако физический механизм не ограничен только ими. Гиперболические среды существуют и для электромагнитных волн, а их свойства уже используют для управления распространением света на масштабах меньше длины волны. Авторы предполагают, что волновые аттракторы в дальнейшем могут пригодиться в фотонике, фононике, системах разделения частот, захвата частиц и высокочувствительных датчиках. Пока речь идёт о возможных применениях, а не о готовых устройствах.