你能想象聲音的傳播方式與光的傳播方式相同嗎？中國(guó)香港城市大學(xué)的一個(gè)研究小組發(fā)現(xiàn)了一種新型的聲波：空氣中的聲波橫向振動(dòng)，并像光一樣攜帶自旋和軌道角動(dòng)量。這一發(fā)現(xiàn)打破了科學(xué)家們以前對(duì)聲波的看法，為開(kāi)發(fā)聲學(xué)通信、聲學(xué)傳感和成像方面的新應(yīng)用開(kāi)辟了一條道路。
這項(xiàng)研究由香港城市大學(xué)物理系助理教授王樹(shù)波（音譯）博士發(fā)起并共同領(lǐng)導(dǎo)，并與香港浸會(huì)大學(xué)和香港科技大學(xué)的科學(xué)家們合作進(jìn)行。該研究發(fā)表在《自然通訊》上。
超越對(duì)聲波的傳統(tǒng)理解
物理學(xué)教科書(shū)告訴我們，有兩種波。在像光這樣的橫波中，振動(dòng)是垂直于波的傳播方向的。在像聲音這樣的縱波中，振動(dòng)與波的傳播方向平行。但香港城市大學(xué)科學(xué)家們的最新發(fā)現(xiàn)改變了人們對(duì)聲波的這種認(rèn)識(shí)。
“如果你和物理學(xué)家談?wù)摽諝庵械臋M向聲音，他/她會(huì)認(rèn)為你是一個(gè)沒(méi)有受過(guò)大學(xué)物理學(xué)訓(xùn)練的門(mén)外漢，因?yàn)榻炭茣?shū)上說(shuō)空氣中的聲音（即在空氣中傳播的聲音）是一種縱波，”王樹(shù)波博士說(shuō)?！半m然空氣傳播的聲音在通常情況下是縱波，但我們首次證明在某些條件下它可以是橫波。而且我們研究了它的自旋-軌道相互作用（一個(gè)只存在于橫波中的重要屬性），即兩種角動(dòng)量之間的耦合。這一發(fā)現(xiàn)為聲音操作提供了新的自由度?！?/p>
王樹(shù)波博士解釋說(shuō)，空氣或流體中沒(méi)有剪切力，這是聲音是縱波的原因。他一直在探索是否有可能實(shí)現(xiàn)橫向聲音，這需要剪切力。然后他想到，如果將空氣離散成"元原子"，即限制在小型諧振器中的體積空氣，其大小遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)，就可能產(chǎn)生合成剪切力。這些空氣"元原子"的集體運(yùn)動(dòng)可以產(chǎn)生宏觀尺度上的橫向聲音。
"微極超材料"的構(gòu)想和實(shí)現(xiàn)
他巧妙地設(shè)計(jì)了一種被稱為"微極超材料"的人工材料來(lái)實(shí)現(xiàn)這一想法，它看起來(lái)像一個(gè)復(fù)雜的諧振器網(wǎng)絡(luò)。空氣被限制在這些相互連接的諧振器內(nèi)，形成"元原子"。超材料足夠堅(jiān)硬，所以只有里面的空氣可以振動(dòng)并支持聲音的傳播。理論計(jì)算表明，這些空氣"元原子"的集體運(yùn)動(dòng)確實(shí)產(chǎn)生了剪切力，從而在這個(gè)超材料內(nèi)部產(chǎn)生了具有自旋-軌道相互作用的橫向聲音。浸會(huì)大學(xué)馬冠聰博士的研究小組通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這一理論。
此外，研究小組發(fā)現(xiàn)，空氣在微極超材料內(nèi)表現(xiàn)得像一種彈性材料，因此支持具有自旋和軌道角動(dòng)量的橫向聲音。利用這種超材料，他們首次展示了兩種類型的聲音自旋或軌道相互作用。一種是動(dòng)量空間自旋軌道相互作用，它引起了橫向聲音的負(fù)折射，意味著聲音在通過(guò)界面時(shí)向相反方向彎曲。另一個(gè)是實(shí)空間自旋-軌道相互作用，在橫向聲音的激勵(lì)下產(chǎn)生聲音渦流。
研究結(jié)果表明，空氣中的聲音，或流體中的聲音，可以是一種橫波，并與光一樣攜帶完整的矢量屬性，如自旋角動(dòng)量。它為超越傳統(tǒng)標(biāo)量自由度的聲音操作提供了新的視角和功能。
“這只是一個(gè)前奏?！蓖醪┦空f(shuō)：“我們預(yù)計(jì)將對(duì)橫向聲音的耐人尋味的特性進(jìn)行更多探索。將來(lái)，通過(guò)操縱這些額外的矢量特性，科學(xué)家們也許能夠?qū)⒏嗟臄?shù)據(jù)編碼到橫聲中，以打破傳統(tǒng)聲波通信的瓶頸。”
“自旋與軌道角動(dòng)量的相互作用使得通過(guò)其角動(dòng)量進(jìn)行前所未有的聲音操縱。”他補(bǔ)充說(shuō)：“這一發(fā)現(xiàn)可能為開(kāi)發(fā)聲學(xué)通信、聲學(xué)傳感和成像方面的新型應(yīng)用開(kāi)辟了一條途徑?！?/p>
