Valurile își găsesc ordinea în haosul unei cavități cu formă neregulată
Cercetătorii de la Advanced Science Research Center de la CUNY Graduate Center (CUNY ASRC) au descoperit că valurile pot adopta un comportament neașteptat atunci când călătoresc prin materiale hiperbolice. Studiul, publicat în Nature Physics, arată că într-o cavitate cu formă neregulată realizată din astfel de materiale, valurile se organizează în traiectorii stabile și repetitive, în loc să se împrăștie haotic.
Fenomenul contrazice așteptările obișnuite. În materialele comune, un val se reflectă de pe o suprafață respectând unghiul de incidență, iar într-o incintă neregulată reflexiile succesive produc rapid modele complexe și imprevizibile, cunoscute în fizică drept biliard dinamic. Materialele hiperbolice schimbă însă acest tablou, forțând valurile să se deplaseze pe direcții înguste și bine definite, iar direcția de ieșire de pe un perete înclinat poate diferi de cea așteptată într-un material obișnuit.
„De obicei, ne așteptăm ca o cavitate complicată să producă modele de undă complicate și haotice”, a declarat Simon Yves, cercetător postdoctoral în laboratorul lui Alù și unul dintre primii autori ai studiului. „Aici se întâmplă opusul.”
Atractori de undă și ruperea simetriei de oglindire
Cercetătorii au descoperit că valurile din interiorul cavității se pot organiza progresiv în traiectorii închise, stabile și invariante la scară, ceea ce înseamnă că structura lor geometrică se păstrează la diferite dimensiuni. Aceste structuri au fost numite „atractori de undă hiperbolici”.
Efectul provine dintr-o rupere a simetriei de oglindire în procesul de reflexie a undelor. Pe măsură ce valurile se lovesc de pereții cavității, lungimea lor de undă scade progresiv, contribuind la formarea atractorilor. Modelele rezultate au și o proprietate numită chiralitate, care descrie dacă traiectoria definită a undei se rotește în sens orar sau antiorar. Atât chiralitatea, cât și stabilitatea atractorilor sunt legate de geometria neobișnuită a propagării undelor în materialul hiperbolic.
„Acest lucru arată cum geometria și proprietățile unui material pot colabora pentru a produce un comportament al undelor care este atât surprinzător, cât și util”, a afirmat Andrea Alù, investigatorul principal al studiului, director al Photonics Initiative la CUNY ASRC și profesor distins de fizică la CUNY Graduate Center.
De la metamateriale la aplicații în nanofotonică
Echipa a demonstrat aceste efecte prin inginerie vibrațiilor într-un metamaterial mecanic, o structură creată de om pentru a controla modul în care undele se deplasează prin ea.
„Cel mai captivant aspect al acestor rezultate este că leagă o idee geometrică simplă de un set bogat de fenomene ondulatorii”, a spus Enrico Renzi, student la doctorat în laboratorul lui Alù și unul dintre primii autori. „Putem observa cum undele se organizează și putem conecta această organizare la proprietăți precum stabilitatea și chiralitatea.”
Descoperirile au paralele cu atractorii de unde interne studiați în oceanografie și dinamica fluidelor, unde undele care călătoresc prin apă cu gradienți de densitate se pot reflecta neobișnuit de pe pantele subacvatice, concentrând energia în traiectorii închise. Noul studiu transpune un fenomen înrudit într-o platformă de metamaterial solid, de laborator, arătând cum concepte din dinamica fluidelor geofizice pot fi explorate în materiale proiectate.
Cadrul propus de oamenii de știință se poate extinde și la polaritonii de fononi hiperbolici, excitații hibride lumină-materie care apar în cristale anizotrope bidimensionale naturale, precum nitrura de bor hexagonală și trioxidul de molibden. Aceste materiale pot susține lumină confinată în regiuni minuscule, oferind oportunități pentru circuite nanofotonice cu pierderi reduse și control al luminii infraroșii.
În viitor, atractorii de undă hiperbolici ar putea contribui la proiectarea cipurilor optice compacte, a dispozitivelor de separare a semnalelor optice, a sistemelor de captare a particulelor, a platformelor de calcul analogic bazat pe unde și a senzorilor biologici de înaltă sensibilitate.
„Această cercetare deschide o cale către inginerie modelelor de undă stabile și robuste în sisteme în care undele ar fi de așteptat să devină rapid haotice”, a concluzionat Alù.
Echipa de cercetare a inclus oameni de știință afiliați CUNY ASRC și Institut Langevin de la ESPCI Paris PSL din Franța, precum și Universitatea din Amsterdam din Țările de Jos.
