研究人员发现了一种异常的波动现象，将人工工程材料与海洋物理中的原理联系起来。

在不规则形状空间内反复反射的波，其传播路径通常愈发不可预测。科学家现已证明，某些材料可以产生相反的效果：将波引导为稳定、重复的图案，而非混沌轨迹。

纽约城市大学研究生中心高级科学研究中心（CUNY ASRC）的研究人员在双曲材料（hyperbolic materials）中发现了这一行为。此类材料的特殊性质限制了波的传播方向。研究发表于 Nature Physics，识别出被称为双曲波吸引子（hyperbolic wave attractors）的结构，未来可能帮助工程师控制光、声与电磁信号。

该研究首席研究员、CUNY ASRC 光子学计划主任、纽约城市大学研究生中心杰出物理学教授 Andrea Alù 表示：“这项工作表明，几何结构与材料性质可以协同作用，产生既出人意料又具有实用价值的波动行为。通过理解波在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途径。”

当波违背常规反射规则

在普通材料中，波通常以与入射角相同的角度反射。在不规则封闭腔内的多次反射会产生混沌运动，这一现象通过被称为动力学台球（dynamical billiard）的经典物理问题加以研究。

双曲材料的行为不同。这类材料以数学曲线双曲线命名，将波导向特定路径，并改变波在倾斜表面上的反射方式。在不规则腔体内，这些异常反射规则可使波收敛至有组织的轨迹。

“通常我们认为，复杂的腔体会产生复杂、混沌的波型，”Alù 实验室博士后研究员、该研究第一作者 Simon Yves 说。“在这里情况相反。波的特殊传播与反射形成了强烈的几何组织性，产生可在宽波长范围内保持的明确路径。”

波如何组织为稳定图案

研究人员发现，反复反射可将波引导至在不同尺度下保持稳定的闭合轨迹。该行为部分源于反射过程中镜像对称性的破缺，使波长在波穿越腔体时逐步缩短。

这些波吸引子还具有手性（handedness），即其路径按顺时针或逆时针方向循环。其稳定性与方向取决于腔体几何结构与材料的特殊波动性质。团队使用一种用于控制振动的力学超材料（mechanical metamaterial）演示了该现象。

“这些结果最令人兴奋之处在于，它们将一个简单的几何思想与丰富的波动现象联系起来，”Alù 实验室博士生、该研究第一作者 Enrico Renzi 说。“我们可以观察波如何被组织起来，并将这种组织与稳定性、手性等性质联系起来。这为我们提供了一个设计波行为的框架，而不仅仅是观察它。”

从海洋波到纳米尺度光

类似的波吸引子存在于海洋中：穿越不同密度水层的内波在水下斜坡处发生异常反射。这些反射可将能量沿闭合路径聚集，并促成波湍流。

新研究在人工固体中展示了类似效应，使研究人员能够在受控实验室环境中研究其底层物理。相关原理还可推广至双曲声子极化激元（hyperbolic phonon polaritons），即某些晶体中存在的光与物质混合激发态，包括六方氮化硼和三氧化钼。

这些材料可将红外光限制在极小区域内，使其成为纳米光子技术的候选材料。双曲波吸引子的潜在应用包括紧凑光路、光信号分离、粒子捕获、模拟波计算和高灵敏度生物传感器，但这些用途尚未得到验证。

“这项研究开辟了一条路径，可在那些波通常被认为会迅速变得混沌的系统中，工程化实现稳定且鲁棒的波型，”Alù 说。“我们的目标是理解如何利用这些效应，为光子学、声子学和基于波的技术创造新功能。”

参考文献：Simon Yves, Enrico M. Renzi, Sander A. Mann and Andrea Alù, “Hyperbolic wave attractors,” Nature Physics, 2026年9月28日. DOI: 10.1038/s41567-026-03453-7