Pētnieki atraduši veidu, kā sarežģītās, neregulāras formas telpās apturēt gaismas un skaņas viļņu haotisku izkliedi. Atklājums varētu palīdzēt veidot efektīvākas optiskās mikroshēmas, precīzāk virzīt bezvadu signālus un izstrādāt jutīgākus bioloģiskos sensorus.

Kā haotiskas atbalsis pārtop sakārtotās trajektorijās

Iedomājoties kliedzienu neregulāras formas telpā, skaņa ātri sašķeļas haotiskā atbalsu kopumā. Ienākošais vilnis atsitas pret slīpu sienu, atstarojas leņķī un drīz vien kļūst neprognozējams. Fiziķi šādu nelineāru procesu dēvē par “dinamisko biljardu”. Tas ilgstoši ir bijis sarežģīts izaicinājums optikas inženieriem un akustikas speciālistiem.

Pētnieki no Ņujorkas Pilsētas universitātes Absolventu centra Uzlaboto zinātņu pētniecības centra (CUNY ASRC) atklājuši, ka viļņu izvadīšana caur īpašu sintētisko materiālu klasi liek tiem pilnībā atteikties no haotiskas izkliedes. Tā vietā viļņi dabiski sakārtojas atkārtojošās ģeometriskās cilpās.

“Šis darbs parāda, kā ģeometrija un materiāla īpašības var sadarboties, lai radītu viļņu uzvedību, kas ir gan pārsteidzoša, gan noderīga,” sacīja pētījuma galvenais pētnieks Andrea Alū.

“Izprotot, kā viļņi organizējas šajos hiperboliskajos materiālos, mēs varam sākt pētīt jaunas pieejas enerģijas, informācijas un sakaru signālu kontrolei sarežģītās vidēs,” piebilda Alū.

Hiperboliskie materiāli ierobežo viļņu kustību

Pētījuma komanda centās noskaidrot, kā nestandarta atstarošanas īpašību apvienošana ar asimetrisku dobumu maina viļņu dinamiku.

Ikdienā sastopamos materiālos atstarošana pakļaujas vienkāršam principam: krišanas leņķis ir vienāds ar atstarošanas leņķi. Ja gaismu ievada neregulāras formas kastē, atstarojumi ātri veido sarežģītu un grūti prognozējamu ainu. Standarta materiāli virza atstarotos viļņus uz āru vienādos leņķos, radot haotiskus rakstus neregulāros konteineros.

Hiperboliskie materiāli šo ierobežojumu pārvar, sašaurinot viļņu izplatīšanos ļoti virzītos ceļos un mainot to atstarošanos no slīpām virsmām. Šādos specializētos dobumos viļņi pakāpeniski sakārtojas stabilās, mēroginvariantu slēgtās cilpās. Lauztā spoguļsimetrija un viļņa garuma samazināšanās kopā pārvērš haotisko izkliedi strukturētās trajektorijās.

Šāda izplatīšanās rada viļņu trajektorijas ar noteiktu virziena rotāciju jeb rokrakstu. Tas nosaka, vai ceļi griežas pulksteņrādītāja virzienā vai pretēji tam.

Pētnieki šo pašorganizēšanās procesu eksperimentāli pārbaudīja, kontrolējot vibrācijas īpaši izstrādātā mehāniskā metamateriālā.

“Visinteresantākais šo rezultātu aspekts ir tas, ka tie savieno vienkāršu ģeometrisku ideju ar plašu viļņu parādību kopumu,” sacīja Enriko Renzi, Alū laboratorijas doktorants. “Mēs varam novērot, kā viļņi tiek organizēti, un saistīt šo organizāciju ar tādām īpašībām kā stabilitāte un rokraksts. Tas dod mums sistēmu viļņu uzvedības projektēšanai, nevis tikai tās novērošanai.”

No okeāna viļņiem līdz mehāniskam metamateriālam

Šī laboratorijas mēroga eksperimenta fizikai ir negaidītas saknes dziļjūras okeanogrāfijā. Okeānā zemūdens viļņi pārvietojas caur ūdens slāņiem ar atšķirīgu blīvumu. Kad iekšējie viļņi sasniedz zemūdens nogāzes, tie atstarojas neparastā veidā un bieži ieslēdzas slēgtās trajektorijās, kas koncentrē enerģiju zem ūdens virsmas.

CUNY komanda šo šķidrumu dinamikas koncepciju pārnesa cietvielu platformā, izmantojot mehānisku metamateriālu — īpaši izstrādātu struktūru ar sīkiem stabiņiem, kas vada elastīgās vibrācijas.

Šīs pieejas izmantojums varētu neaprobežoties ar mehāniskām vibrācijām. Tas pats matemātiskais ietvars attiecas uz divdimensiju materiāliem, piemēram, heksagonālo bora nitrīdu un molibdēna trioksīdu. Šajos materiālos rodas hibrīdi gaismas un vielas ierosinājumi, ko dēvē par hiperboliskajiem fononu polaritoniem.

Iespējamie pielietojumi optikā un skaitļošanā

Pētnieki cer viļņu atraktorus izmantot zemu zudumu nanofotonisko ķēžu veidošanai, īpaši jutīgu biosensoru izstrādei, mikroskopisku daļiņu manipulēšanai ar gaismu un uz viļņiem balstītu analogo skaitļošanas sistēmu radīšanai.

Pētījums publicēts žurnālā Nature Physics.