Волны в полостях сложной формы обычно отражаются хаотично. Небольшое изменение начальных условий приводит к совершенно другой траектории. Но исследователи Advanced Science Research Center Городского университета Нью-Йорка нашли способ переломить эту ситуацию.

В работе, опубликованной в Nature Physics, команда экспериментально получила гиперболические волновые аттракторы — режим, при котором волны внутри асимметричной полости сами выстраиваются в устойчивые замкнутые маршруты. Волны перестают метаться в разные стороны и начинают следовать одному определённому пути.

Секрет в гиперболической среде. В обычном пространстве волны распространяются во всех направлениях одинаково. В гиперболической среде они предпочитают строго определённые направления. Когда такую среду поместили в асимметричную полость, последовательные отражения постепенно сводили множество возможных путей к одному геометрическому рисунку.

Найденный режим отличается от обычного резонанса, который требует точного соответствия размера полости длине волны. Гиперболические аттракторы работают широкополосно и масштабно-инвариантно. Геометрия траектории сохраняется в широком диапазоне параметров.

Траектория получает определённое направление вращения — по или против часовой стрелки. Направление задаёт совместное нарушение зеркальной симметрии среды и геометрии полости. Авторы проверили, как режим переходит между разными состояниями и как он переносит дефекты в структуре.

Эксперимент проводили с механическими колебаниями, а не со светом. Исследователи создали метаматериал — поверхность с массивом миниатюрных столбиков. Его архитектура заставляла упругие волны распространяться в сильно ограниченных направлениях. Полость с наклонной границей нарушала симметрию, и колебания сходились к рассчитанной устойчивой траектории. Численное моделирование совпало с экспериментом.

Разные частоты формируют разные пространственные рисунки. Это позволило исследователям разделять волновые сигналы без крупных резонаторов — геометрия аттракторов справляется сама. Такой подход может привести к более компактным устройствам обработки сигналов.

Идея не нова в природе. Океанографы давно изучают похожие волновые аттракторы в стратифицированной воде. Там плотность меняется с глубиной, внутренние волны необычно отражаются от наклонного дна и концентрируются вдоль замкнутых маршрутов. Новая работа переносит эту физику из жидкостей в искусственно созданную твёрдую структуру, где параметры легче задавать и контролировать.

Механический образец служит 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. Эти кристаллы поддерживают гиперболические фононные поляритоны — гибридные возбуждения света и колебаний решётки, способные удерживать электромагнитное поле в масштабах значительно меньше длины волны света.

Сильная локализация поля делает гиперболические среды привлекательными для датчиков. Концентрация электромагнитной энергии в небольшой области усиливает взаимодействие света с находящимися рядом молекулами. Волновые аттракторы могут стать основой для чувствительных биосенсоров, хотя готовый медицинский датчик пока не представлен. Речь идёт о физическом механизме, который ещё предстоит перенести в практические оптические устройства.

Авторы видят другие применения: малопотерные нанофотонные схемы, управление микроскопическими частицами светом, волновые аналоговые вычисления. Главное, что вместо борьбы с хаотичными отражениями инженеры могут использовать геометрию и анизотропные свойства материала, чтобы волна сама сходилась к заранее спроектированному устойчивому маршруту.