Naukowcy z Hongkongu odkryli nowy rodzaj fal dźwiękowych – wibrujących poprzecznie i przenoszących zarówno spin, jak i orbitalny moment pędu – podobnie jak światło. To burzy dotychczasową wiedzę o falach dźwiękowych, otwierając drogę do rozwoju nowych zastosowań w urządzeniach do komunikacji i detektorach. Wyniki zostały opublikowane w Nature Communications.
Dźwięk jako fala poprzeczna
Zgodnie z podstawową wiedzą fizyczną, istnieją dwa rodzaje fal: poprzeczne (jak światło) i podłużne (dźwięk). W falach poprzecznych, drgania są prostopadłe do kierunku jej rozchodzenia – w falach podłużnych, drgania są równoległe do kierunku rozchodzenia się fali. Najnowsze odkrycie fizyków z City University of Hong Kong burzy istniejący porządek rzeczy.
Gdybyś rozmawiał z fizykiem o dźwięku poprzecznym w powietrzu, pomyślałby, że jesteś laikiem bez wykształcenia w dziedzinie fizyki uniwersyteckiej, ponieważ podręczniki mówią, że dźwięk w powietrzu jest falą podłużną. My po raz pierwszy wykazaliśmy, że w pewnych warunkach może być falą poprzeczną. Zbadaliśmy też jego oddziaływania spin-orbita, czyli sprzężenie pomiędzy dwoma rodzajami pędu. Odkrycie to zapewnia nowe stopnie swobody dla manipulacji dźwiękiem.dr Wang Shubo, City University of Hong Kong
Powodem istnienia dźwięku jako fali podłużnej jest brak sił ścinających w powietrzu i płynach. Zespół dr Wanga badał, czy możliwe jest stworzenie dźwięku poprzecznego wymagającego siły ścinającej. Można ją stworzyć, jeżeli powietrze zostanie podzielone na tzw. metaatomy, czyli małe objętości powietrza zamknięte w rezonatorach o rozmiarach mniejszych od długości fali. Zbiorowy ruch tych metaatomów powietrza może wyzwolić powstanie poprzecznej fali dźwiękowej w skali makroskopowej.
Przełomowe badania – praktyczne zastosowania?
Aby stworzyć poprzeczną falę dźwiękową, naukowcy zaprojektowali rodzaj sztucznego materiału zwanego metamateriałem mikropolarnym, który wygląda jak złożona sieć rezonatorów. Metamateriał jest na tyle twardy, że powietrze wewnątrz metaatomów może wibrować i wspierać rozchodzenie dźwięku.
Czytaj też: Tajemnicze fale Alfvéna powodują zorze polarne
Obliczenia wykazały, że ruch tych metaatomów powietrza faktycznie wytwarza siłę ścinającą, która powoduje powstawanie poprzecznej fali dźwiękowej. Wyniki wykazały, że dźwięk unoszący się w powietrzu lub w płynach może być falą poprzeczną i przenosić pełne właściwości wektorowe, jak światło. Stwarza to nowe perspektywy i funkcjonalności dla manipulacji dźwiękiem.
To jest dopiero początek. Przewidujemy więcej badań nad intrygującymi właściwościami dźwięku poprzecznego. W przyszłości, manipulując tymi dodatkowymi właściwościami wektorowymi, naukowcy mogą być w stanie zakodować więcej danych w dźwięku poprzecznym, aby przełamać wąskie gardło tradycyjnej komunikacji akustycznej przez normalne fale dźwiękowe.dr Wang Shubo
