- 科學家找到控制光與聲波的新方法，阻止其在複雜空間中散射。
- 波被組織成重複的幾何環路，可能改變光線和無線信號的引導方式。
- 研究展示幾何形狀與材料特性如何影響波動行為，開啟新控制方法。
- 該研究或將應用於低損耗納米光子電路及高敏感度生物傳感器。
科學家找到一種方法，可以阻止光和聲波在複雜及形狀不規則的空間中發生混亂的散射。當在不規則形狀的房間中大喊時，聲音會變成無序的回聲混亂。來自某一方向的波撞擊斜牆，會以某個角度反彈，迅速螺旋進入完全不可預測的狀態。物理學家稱這種非線性的混亂為「動態桌球」。這對光學工程師和聲學設計師來說無疑是一大挑戰。現在，科學家們已經找到阻止這種混亂的方法。紐約市立大學研究生中心的先進科學研究中心（CUNY ASRC）研究人員發現，將波通過一類特殊的合成介質，可以迫使其完全放棄混亂的散射。
波不再四分五裂，而是自然地組織成重複的幾何環路。這一發現可能會改變工程師在計算機晶片上引導光線、指導無線信號及構建生物傳感器的方式。
波的組織與幾何環路
該研究的首席研究員安德烈亞·阿盧（Andrea Alù）表示：「這項工作展示了幾何形狀和材料特性如何協同作用，產生既驚人又有用的波動行為。透過理解波在這些雙曲介質中的組織方式，我們可以開始探索在複雜環境中控制能量、資訊和通信信號的新方法。」
研究團隊旨在探討如何將這些非標準反射特性與不對稱腔體相結合，重新塑造波動動力學。在日常材料中，反射遵循一個簡單的法則：入射角等於反射角。將光線投射進一個形狀不規則的箱子中，這些反射迅速變得混亂。標準材料將反射波以相等的角度向外發送，創造出不可預測的混亂圖案。而雙曲材料則克服了這一限制，通過限制波在狹窄且高度定向的路徑上傳播，並改變在斜面上的反射行為。在這些特殊的腔體內，波逐漸組織成穩定且具尺度不變性的閉合環路，破碎的鏡像對稱性和收縮的波長將混亂的散射壓縮成有結構的軌跡。
波的手性與自組織行為
這種獨特的傳播方式產生了具有方向性旋轉或手性（handedness）的波軌跡，這決定了路徑是順時針還是逆時針旋轉。研究人員通過控制工程機械超材料中的振動，實驗性地驗證了這種自組織行為。阿盧的實驗室的博士生恩里科·任齊（Enrico Renzi）表示：「這些結果最令人興奮的方面在於，它們將一個簡單的幾何概念與豐富的波現象聯繫在一起。我們可以觀察波如何變得有序，並將這種組織與穩定性和手性等特性相連接。
這為設計波行為提供了一個框架，而不僅僅是觀察它。」
這一桌面開發背後的物理學與深海海洋學有著驚人的根源。在海洋中，水下波浪通過不同密度的水層傳播。當這些內部波遇到水下斜坡時，會以不尋常的方式反射，通常會鎖定成閉合軌跡，集中能量於水面下。CUNY 團隊將這一流體動力學概念轉化為固態平台，使用了一種機械超材料——一種定製設計的結構，內部有微型支柱來引導彈性振動。這一應用可能超越機械振動。同樣的數學框架適用於如氮化硼和三氧化鉬等二維材料，這些材料承載稱為雙曲聲子極化子的混合光-物質激發。
研究人員旨在利用波吸引子來構建低損耗的納米光子電路，工程化高敏感度的生物傳感器，利用光操控微觀粒子，以及創建基於波的類比計算系統。
該研究已發表於《自然物理學》期刊上。
新方法對光學與聲學設計的影響
這項研究為光學和聲學領域提供了一個全新的視角，通過控制波動行為來解決以往的挑戰。傳統上，複雜環境中的波散射會導致不可預測的結果，而這項技術能夠將波組織成穩定的幾何形狀，從而提高信號的可靠性和效率。這不僅能改善無線通信和生物傳感器的性能，還可能推動新型計算系統的發展，顯示出其在多個應用領域的潛力。