W efekcie, zamiast chaosu, fale zaczęły układać się w stabilne, powtarzalne ścieżki. O szczegółach tego niecodziennego eksperymentu czytamy w Nature Physics. Jak wyjaśniają autorzy publikacji, kluczem do sukcesu okazały się materiały hiperboliczne. Ich właściwości sprawiają, że fale nie rozchodzą się swobodnie we wszystkich kierunkach, lecz są ograniczane do wąskich, silnie ukierunkowanych torów. W nieregularnej wnęce prowadzi to do zaskakującego rozwoju sytuacji: zamiast stopniowo tracić uporządkowanie, fale mogą zbiegać do zamkniętych trajektorii.
Czytaj też: Tak powstaje materia. Naukowcy odtworzyli ten proces na komputerze kwantowym
Zjawisko ma związek z klasycznym problemem, za sprawą którego w nieregularnym pomieszczeniu odbijająca się piłka może poruszać się w sposób bardzo trudny do przewidzenia, a podobna dynamika występuje w przypadku fal. W materiałach hiperbolicznych reguły propagacji i odbicia są jednak inne. Złamanie symetrii układu sprawia, iż kolejne odbicia mogą prowadzić do stabilnych i geometrycznie uporządkowanych torów. Co istotne, ich struktura zachowuje się podobnie w różnych skalach, a same trajektorie mogą mieć określony kierunek obrotu zgodny z ruchem wskazówek zegara bądź przeciwny do niego.
Badacze nie poprzestali na modelach teoretycznych. Zjawisko sprawdzili eksperymentalnie, wykorzystując metamateriał mechaniczny zaprojektowany do kontrolowania propagacji drgań. Pozwoliło to bezpośrednio obserwować, jak fale przechodzą od zachowania chaotycznego do stabilnych i powtarzalnych wzorców. Warto mieć przy tym na uwadze fakt, że podobne mechanizmy można badać zarówno w sztucznych strukturach, jak i w naturalnych materiałach hiperbolicznych.
Inspiracją dla części tej koncepcji są również fale wewnętrzne występujące w oceanach. W warstwowych ośrodkach wodnych fale mogą odbijać się od podwodnych zboczy w nietypowy sposób, tworząc zamknięte trajektorie i koncentrując energię. Zespół z CUNY przeniósł podobną ideę do kontrolowanego, laboratoryjnego układu metamateriałowego, pokazując, że zjawiska znane z geofizyki można wykorzystać do projektowania nowych struktur falowych.
Potencjalne zastosowania? Naukowcy wskazują na możliwość wykorzystania atraktorów falowych w kompaktowych układach optycznych, układach przetwarzania sygnałów, urządzeniach rozdzielających sygnały o różnych częstotliwościach, a także w analogowych systemach obliczeniowych. Sporo emocji wzbudza przy tym obszar nanofotoniki. Podobne właściwości mogą występować w naturalnych materiałach dwuwymiarowych, takich jak azotek boru czy molibdenian, gdzie pojawiają się hiperboliczne fononowe polarytony, czyli hybrydowe wzbudzenia łączące właściwości światła i materii.
Otwiera to również drogę do nowych konstrukcji biosensorów. Materiały hiperboliczne już wcześniej wykazywały bardzo wysoką czułość w detekcji biomolekuł, a wcześniejsze badania pokazały możliwość wykrywania związków o bardzo małej masie cząsteczkowej przy bardzo niskich stężeniach. Nowe odkrycie dotyczące uporządkowanych trajektorii fal może więc dostarczyć dodatkowego sposobu kontrolowania oddziaływania światła z materią na bardzo małych skalach.
Źródło: Nature Physics
