CUNY ASRC: упругие волны в гиперболическом метаматериале образуют устойчивые хиральные аттракторы

Исследователи из Advanced Science Research Center при CUNY Graduate Center (CUNY ASRC) сообщают в работе на nature.com, что полости неправильной формы из гиперболических сред подавляют хаотическую динамику волн. Вместо неё в таких полостях возникают «гиперболические волновые аттракторы» nature.comnature.comnature.comОткрыть источник ↗. Эффект показан экспериментально на упругих волнах в гиперболическом метаматериале, рассчитанном на управление вибрациями. Руководитель исследования — Андреа Алу, один из первых авторов — Симон Ив.

Почему обычно побеждает хаос

Поведение волн в неправильных полостях, как правило, определяется хаосом. Траектории расходятся и сильно зависят от начальных условий из-за сложных внутренних отражений, что ограничивает управляемость и устойчивость. В обычных материалах волна отражается под тем же углом, под которым падает на поверхность. Многократные отражения в неправильной полости могут давать хаотическое движение; в физике эту задачу изучают как динамический бильярд.

Гиперболические материалы названы по математической кривой — гиперболе. По словам исследователей, они направляют волны по определённым путям и меняют характер отражения от наклонных поверхностей. В неправильной полости эти правила отражения могут сводить волны к упорядоченным траекториям.

Свойства аттракторов

Аттракторы устойчивы, хиральны, широкополосны и масштабно-инвариантны. Они организуют движение волн по аналогии с предельными циклами в нелинейных динамических системах, а их свойства отличаются и от обычных резонаторов, и от хаотических мод nature.comnature.comnature.comОткрыть источник ↗. Хиральность означает, что пути циркулируют по часовой стрелке или против неё. Авторы указывают, что устойчивость и направление зависят от геометрии полости и от волновых свойств материала.

Многократные отражения направляют волны на замкнутые траектории, которые остаются устойчивыми на разных масштабах. Исследователи связывают это отчасти с нарушенной зеркальной симметрией при отражении: длина волны по мере движения через полость постепенно уменьшается. Эксперименты также выявили фазовые переходы аттракторов, особенности, обусловленные симметрией, и устойчивость к дефектам.

Авторы делают вывод, что физика волновых аттракторов распространяется на природные и искусственные гиперболические среды. Устойчивую хиральную организацию волн они объясняют одновременным нарушением симметрии в материале и в геометрии полости, причём система полностью линейна. Кроме того, они указывают на возможность компактных многофункциональных устройств для обработки сигналов и сенсорики на волнах. Такие устройства объединили бы функции, обычно связанные с крупными структурами масштаба длины волны, и функции глубоко субволновых полостей.