双曲材料迫使波沿狭窄、高度确定的路径传播，并改变倾斜边界处的反射角。
科学家找到了一种方法，阻止光波和声波在复杂、形状怪异的空间内发生混沌散射。
朝形状不规则的房间大喊，你的声音会碎成一片混乱的回声。入射波撞上倾斜墙壁，以一定角度反弹，并迅速陷入完全不可预测的状态。物理学家把这种非线性混乱称为“动力台球”。它是光学工程师和声学设计师的祸根。如今，科学家找到了终结这种疯狂的方法。
纽约市立大学研究生中心高级科学研究中心（CUNY ASRC）的研究人员发现，让波通过一类特殊合成介质，会迫使它们完全放弃混沌散射。波不会碎裂，而是自然组织成重复的几何回路。
这一发现可能重塑工程师在计算机芯片上引导光、定向无线信号以及构建生物传感器的方式。
“这项工作表明，几何结构与材料特性可以如何协同作用，产生既令人惊讶又实用的波行为，”该研究的首席研究员安德烈亚·阿卢说。
阿卢补充说：“通过理解波在这些双曲介质中如何自我组织，我们可以开始探索在复杂环境中控制能量、信息和通信信号的新方法。”
有序的几何
研究团队旨在探究，将这些非标准反射特性与不对称腔体结合，会如何重塑波动力学。
在日常材料中，反射遵循一条简单规则：入射角等于反射角。把光射入形状怪异的盒子，这些反射很快就会变得杂乱。
标准材料会以相等角度向外发送反射波，在不规则容器内形成不可预测的混沌图案。
双曲材料通过将波传播限制在狭窄、高度定向的路径上，并改变倾斜表面处的反射行为，克服了这一限制。在这些特殊腔体内，随着镜像对称性破缺和波长缩短，混沌散射坍缩为有结构的轨迹，波逐渐组织成稳定、尺度不变的闭合回路。
这种独特的传播产生了具有方向性旋转，即旋向性的波轨迹，它决定路径是顺时针还是逆时针旋转。
研究人员通过控制工程机械超材料中的振动，在实验上验证了这种自组织行为。
“这些结果最令人兴奋的地方在于，它们将一个简单的几何想法与丰富的一系列波现象联系起来，”阿卢实验室的博士生恩里科·伦齐说。“我们可以观察波如何变得有序，并把这种有序与稳定性和旋向性等特性联系起来。这为我们提供了一个设计波行为、而不仅仅是观察波行为的框架。”
海洋渊源
这项桌面实验进展背后的物理原理，与深海海洋学有着惊人的共同根源。
在海洋中，水下波穿过密度不同的水层。当这些内波撞上水下斜坡时，会以不同寻常的方式反射，常常锁定到闭合轨迹中，将能量集中在水面之下。
CUNY团队利用机械超材料——一种定制的、带有微型柱以引导弹性振动的结构——将这一流体动力学概念转化到固态平台上。
其应用可能不止于机械振动。同样的数学框架适用于六方氮化硼和三氧化钼等二维材料，这些材料承载着称为双曲声子极化激元的光-物质混合激发。
研究人员的目标是利用波吸引子构建低损耗纳米光子电路、设计高灵敏度生物传感器、用光操纵微观粒子，并创建基于波的模拟计算系统。
该研究发表在《自然·物理学》杂志上。
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