纽约市立大学发现双曲波吸引子有望打造更小芯片

光波或声波在形状古怪的空间里来回反射，轨迹难以预测。但一项新研究却发现，若腔体由一类特殊材料制成，波反而会自己排成稳定、可重复的路径。这项研究由美国纽约市立大学领导，他们将其命名为“双曲波吸引子”，未来有助于科学家和工程师设计出在复杂环境中操控光、无线电波与声波的新方法。相关成果发表于新一期《自然·物理学》。

在普通材料中，波反射时入射角等于反射角。腔体一旦不规则，反复反射就会把波送往四面八方，形成复杂图样，这正是经典“动力学台球”问题所描述的情况。而双曲材料则会迫使波沿狭窄而确定的方向传播，波撞上倾斜壁面后的出射方向，与普通材料中的预期并不一样。

研究团队把这种非常规反射与不规则腔体结合起来考察，发现腔内的波会逐步聚成闭合轨迹。这些轨迹稳定且具有尺度不变性，即底层几何结构在不同尺度下都能保持。其根源是反射过程中镜像对称性被打破，且波在反复反射中波长不断缩短。这些图样还带有“手性”，即轨迹沿顺时针或逆时针旋转。

超材料系统中稳定且重复的波形模式艺术渲染图。图片来源：纽约市立大学研究生院和大学中心

团队在一块力学超材料中构造振动，验证了上述效应。按通常预期，复杂腔体本该产生混沌图样，结果恰恰相反。波的传播与反射造就了强烈的几何组织性，形成清晰路径，并在很宽的波长范围内存在。团队认为，波动行为由此可被主动设计，而不只是被动观察。

这一现象与海洋学中的内波吸引子十分相似。在层化海水中，波从水下斜坡反射时会聚焦成闭合路径，并促成波湍流，而新研究把同类现象搬到了固态超材料平台上。理解如何利用这些现象，将为光子学、声子学，以及各类波基技术创造新的功能。

团队表示，几何结构与材料特性相互配合，能产生既出人意料又有实用价值的波动行为。该框架还可推广到六方氮化硼、三氧化钼等天然二维各向异性晶体中，这类材料能把光约束在极小区域。未来，“双曲波吸引子”有望用于紧凑光学芯片、光信号分离器、粒子捕获、模拟波计算和高灵敏度生物传感器。