В помещении неправильной формы волны света, звука или радиосигналы, достигая его, как правило, начинают хаотично отражаться и трансформироваться в неразбериху шумов. Тем не менее, исследователям удалось обуздать этот волновой беспорядок: направив сигналы в специальную камеру из «гиперболического» материала, они зафиксировали, что волны перестают рассеиваться, а формируют предсказуемые и повторяющиеся траектории.

Ученые-физики из Городского университета Нью-Йорка, расположенного в Соединенных Штатах Америки, провели эксперимент, в ходе которого создали волны внутри камеры нестандартной формы. Эта камера была изготовлена из уникального гиперболического метаматериала. Вместо ожидаемого хаотичного распространения, колебания спонтанно организовались в отчетливые, стабильные и повторяющиеся пути. Специалисты обозначили эти сформировавшиеся структуры как гиперболические волновые аттракторы. Результаты опубликовали в журнале Nature Physics.

Особенность этого явления заключается в уникальных характеристиках самого гиперболического материала. В стандартных средах волна отражается от поверхности под углом, равным углу падения. Но созданный искусственно метаматериал обеспечивает распространение колебаний строго по заданным направлениям. При столкновении волны с наклонной стеной изогнутой камеры зеркальная симметрия отражения нарушается. Вследствие этого каждый последующий отскок приводит к постепенному уменьшению длины волны, и она самоорганизуется в замкнутый устойчивый повторяющийся маршрут, который сохраняется вне зависимости от частоты сигнала.

Обнаруженные траектории демонстрируют дополнительную особенность – хиральность, что можно интерпретировать как «закрученность». В зависимости от геометрии камеры, волна выбирает определенное направление своего движения, которое может быть либо по часовой стрелке, либо против нее.

Примечательно, что аналогичный эффект давно известен океанологам, наблюдающим в глубинах Мирового океана, где подводные волны взаимодействуют со слоистой водой различной плотности и неровным дном. Однако физикам впервые удалось воспроизвести это природное явление непосредственно в лабораторных условиях.

В будущем такая самоорганизация волн предоставит ученым возможность не только изучать хаос, но и полностью контролировать его. Это открытие может послужить основой для разработки высокочувствительных биосенсоров, систем аналоговых волновых вычислений и компактных оптических чипов, где световой сигнал сможет передавать информацию с минимальными потерями.