Επανάσταση στη Φυσική: Επιστήμονες ανακάλυψαν παράξενα νέα υλικά που βάζουν «τάξη» στο χάος των κυμάτων

Ερευνητές ανακάλυψαν έναν πρωτοποριακό τρόπο να κάνουν το φως, τον ήχο και άλλα είδη κυμάτων να αυτο-οργανώνονται σε σταθερά μοτίβα υπό συνθήκες όπου συνήθως θα συμπεριφέρονταν χαοτικά.

Η έρευνα, υπό την ηγεσία μιας ομάδας στο Κέντρο Προηγμένων Επιστημονικών Ερευνών του Graduate Center του CUNY (CUNY ASRC), αποκαλύπτει ότι κύματα που κινούνται μέσα σε ακανόνιστου σχήματος κοιλότητες κατασκευασμένες από αυτό που οι επιστήμονες ονομάζουν υπερβολικά υλικά, μπορούν να περιοριστούν σε σταθερές, επαναλαμβανόμενες διαδρομές.

Ερευνητές βάζουν τάξη στο χάος των κυμάτων

Ονομάζοντας αυτές τις δομές «υπερβολικούς ελκυστές κυμάτων» (hyperbolic wave attractors),  δηλαδή συστήματα εγκλωβισμού κυμάτων σε σταθερές τροχιές, η ερευνητική ομάδα αναφέρει ότι υπό κανονικές συνθήκες, τα κύματα που ανακλώνται μέσα σε ένα ακανόνιστου σχήματος περίβλημα δημιουργούν πολύ περίπλοκα μοτίβα, παρόμοια με τις κινήσεις μιας μπάλας μπιλιάρδου καθώς αναπηδά στις άκρες ενός τραπεζιού με περίεργο σχήμα.

Αντίστοιχα, ακόμη και πολύ μικρές διαφορές στη διαδρομή που ακολουθεί ένα κύμα μπορούν να οδηγήσουν σε απρόβλεπτη συμπεριφορά. Ωστόσο, αυτό δεν συμβαίνει με τα υπερβολικά υλικά, των οποίων οι ασυνήθιστες φυσικές ιδιότητες περιορίζουν ουσιαστικά τον τρόπο με τον οποίο κινούνται αυτά τα κύματα, αναγκάζοντάς τα να ταξιδεύουν προς εξαιρετικά καθορισμένες κατευθύνσεις. Καθώς αυτά τα κύματα προσκρούουν σε επιφάνειες, το αποτέλεσμα είναι ότι ανακλώνται σε κατευθύνσεις που δεν θα εμφανίζονταν στα συμβατικά υλικά.

Ένας Παράξενα υλικά εξαναγκάζουν τα κύματα σε σταθερές τροχιές

Όταν η ομάδα του CUNY συνδύασε αυτές τις ιδιότητες με μια ακανόνιστη κοιλότητα, παρατήρησε κάτι εντελώς μη αναμενόμενο: αντί να γίνονται όλο και πιο χαοτικά, τα κύματα σταδιακά αυτο-οργανώθηκαν, εισερχόμενα σε κλειστές, εξαιρετικά σταθερές διαδρομές.

«Κανονικά, περιμένουμε μια περίπλοκη κοιλότητα να παράγει περίπλοκα, χαοτικά μοτίβα κυμάτων», δήλωσε ο Simon Yves, μεταδιδακτορικός ερευνητής στο CUNY ASRC και συν-συγγραφέας της μελέτης. «Εδώ συμβαίνει το ακριβώς αντίθετο».

Επιπλέον, η ομάδα του CUNY υπέδειξε το φαινόμενο χρησιμοποιώντας δονήσεις που διαδίδονται μέσα από ένα ειδικά σχεδιασμένο μηχανικό μετα-υλικό, αποκαλύπτοντας ότι οι ελκυστές κυμάτων που προκύπτουν φαίνεται να διαθέτουν αυτό που η ομάδα χαρακτηρίζει ως «χειρομορφία» (handedness), όπου τα κύματα ακολουθούν είτε δεξιόστροφες είτε αριστερόστροφες τροχιές.

Μη αναμενόμενες ανακαλύψεις και νέες δυνατότητες

Πέρα από την απλή αποκάλυψη των ασυνήθιστων θεμελιωδών φυσικών ιδιοτήτων που παρατήρησαν, η ομάδα πιστεύει ότι τα ευρήματά της θα μπορούσαν να προσφέρουν στους μηχανικούς ολοκαίνουργιες μεθόδους για τον ακριβή έλεγχο των κυμάτων. «Αυτά τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η φυσική των ελκυστών κυμάτων επεκτείνεται σε φυσικά και τεχνητά υπερβολικά μέσα και αποκαλύπτουν πώς η ταυτόχρονη παραβίαση της συμμετρίας στο υλικό και στη γεωμετρία της κοιλότητας παράγει στιβαρή, χειρόμορφη οργάνωση των κυμάτων σε ένα πλήρως γραμμικό σύστημα», αναφέρουν οι ερευνητές στη μελέτη τους.

Παρόμοιες αρχές θα μπορούσαν ενδεχομένως να εφαρμοστούν και στο φως, όπως υποστηρίζουν, καθώς και σε άλλα ηλεκτρομαγνητικά κύματα, και μάλιστα σε πολύ μικρότερες κλίμακες. Αυτό θα μπορούσε να σημαίνει ότι υπάρχουν νέες εφαρμογές για χρήση σε συμπαγή οπτικά τσιπ, αναλογικούς υπολογιστές κυμάτων, τεχνολογίες παγίδευσης σωματιδίων, συσκευές υπερύθρων, ακόμη και σε εξαιρετικά ευαίσθητους βιολογικούς αισθητήρες και σχετικές τεχνολογίες.

Ο Andrea Alù, κύριος ερευνητής της πρόσφατης μελέτης, δηλώνει ότι η έρευνα της ομάδας «ανοίγει τον δρόμο για τον σχεδιασμό σταθερών και στιβαρών μοτίβων κυμάτων σε συστήματα όπου κανονικά θα αναμενόταν να γίνουν γρήγορα χαοτικά».

Η μελέτη της ομάδας, με τίτλο «Hyperbolic wave attractors», δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Nature Physics.