Физики заставили волны самостоятельно находить устойчивый путь в полости сложной формы
Физики показали, что волны внутри полости неправильной формы можно заставить не рассеиваться по всё более сложным траекториям, а самостоятельно собираться в устойчивый повторяющийся рисунок. Для этого исследователи использовали гиперболический метаматериал, который жёстко ограничивает направления распространения волн. Возникающие структуры получили название гиперболических волновых аттракторов.
Эксперимент выполнялся на механической метаповерхности — искусственной структуре с массивом небольших элементов, управляющих распространением упругих колебаний.
В обычной среде волна отражается от границы по знакомому правилу: угол отражения равен углу падения. В полости сложной формы многократные отражения могут приводить к крайне чувствительным к начальным условиям траекториям. В геометрической оптике подобные системы описывают как динамический бильярд.
Гиперболическая среда ведёт себя иначе. Из-за её сильной анизотропии волна может распространяться только вдоль определённых направлений. Поэтому отражение от наклонной границы подчиняется не той геометрии, которая характерна для обычного изотропного материала.
Исследователи поместили такую среду в асимметричную полость с наклонной стенкой. Расчёты показали, что после многочисленных отражений близкие траектории не расходятся хаотически, а постепенно сближаются и стремятся к одному замкнутому пути. Именно этот устойчивый путь авторы называют волновым аттрактором.
Необычно и то, что форма такого аттрактора практически не зависит от масштаба волны. По мере последовательных отражений длина волны может уменьшаться, однако общая геометрия замкнутой траектории сохраняется. Эксперимент с упругими волнами подтвердил предсказания расчётов и численного моделирования.
У получившихся структур есть и определённая направленность — они могут закручиваться по часовой или против часовой стрелки. Причина связана с нарушением зеркальной симметрии полости и необычным правилом отражения в гиперболической среде. Причём одинаковый характер движения возникал при разных положениях источника волн.
Идея имеет аналог в океанографии. В стратифицированной воде внутренние волны тоже отражаются от наклонного дна необычным образом и при определённой геометрии концентрируются вдоль замкнутых траекторий — волновых аттракторов. Авторы перенесли сходную физическую идею из жидкой среды в твёрдотельную искусственную структуру.
В эксперименте использовались механические колебания, однако математическая модель применима и к другим гиперболическим средам. В частности, подобное распространение поддерживают поляритоны — связанные возбуждения света и вещества — в анизотропных материалах вроде гексагонального нитрида бора и триоксида молибдена.
Такие материалы способны направлять электромагнитные возбуждения по очень узким траекториям и удерживать их на масштабах значительно меньше длины волны свободного света. Поэтому в перспективе гиперболические аттракторы могут использоваться для маршрутизации сигналов в нанофотонных схемах, разделения волн по частоте, создания сенсоров и волновых вычислительных устройств. Пока эти применения остаются предложенными направлениями дальнейших исследований, а не готовыми устройствами.
Авторы уже показали, что разные частоты могут формировать различные пространственные траектории, что позволяет рассматривать систему как основу для широкополосной сортировки волн. Эксперимент также продемонстрировал устойчивость геометрического рисунка к положению источника и некоторым возмущениям структуры.
Таким образом, работа показывает необычный способ управления волнами: вместо того чтобы точно задавать каждый отдельный путь, можно подобрать свойства материала и форму границ так, чтобы система сама направляла энергию к устойчивой траектории.
Исследование в журнале Nature Physics.