比翱观察丨前沿：中国香港物理学家发现特殊横向声波

你能想象声音和光一样传播吗？香港城市大学的一个研究小组发现了一种新型声波：空中声波横向振动，并像光一样携带自旋和轨道角动量。这些发现打破了科学家们之前对声波的看法，为开发新的声学通信、声学传感和成像应用开辟了道路。这项研究由香港城市大学物理系助理教授王书波博士发起并共同领导，并与香港浸会大学和香港科技大学的科学家合作进行。研究成果发表在《自然·通讯》上，题为“横向声的自旋轨道相互作用”。“超原子”和横向声的插图。图片来源：王书波等人。DOI: 10.1038/s41467-021-26375-9  超越对声波的常规理解物理课本告诉我们有两种波。在像光这样的横波中，振动垂直于波的传播方向。在像声音这样的纵波中，振动平行于波的传播方向。但香港城市大学科学家的最新发现改变了这种对声波的理解。“如果你和物理学家谈论空气传播的横向声音，他/他会认为你是一个没有受过大学物理教育的外行，因为教科书上说在空气中传播的声音是一种纵波，”王博士说。“虽然空气传播的声音在通常情况下是纵波，但我们首次证明它在某些条件下可以是横波。我们研究了它的自旋轨道相互作用（一个重要的特性只存在于横波中），即两种角动量之间的耦合。这一发现为声音处理提供了新的自由度。”王博士解释说，空气或流体中没有剪切力是声音为纵波的原因。他一直在探索是否有可能实现横向声音，这需要剪切力。然后他想到了这样的想法：如果空气被离散为“超原子”，即体积空气被限制在尺寸远小于波长的小谐振器中，则可能会产生合成剪切力。这些空气“超原子”的集体运动可以在宏观尺度上产生横向声。

由动量空间中的自旋轨道相互作用引起的负折射。

图片来源：王书波等人。DOI: 10.1038/s41467-021-26375-9  “微极超材料”的概念与实现他巧妙地设计了一种称为“微极超材料”的人工材料来实现这一想法，它看起来像一个复杂的谐振器网络。空气被限制在这些相互连接的谐振器内，形成“超原子”。超材料足够硬，因此只有内部的空气才能振动并支持声音传播。理论计算表明，这些空气“超原子”的集体运动确实会产生剪切力，从而在这种超材料内部产生具有自旋轨道相互作用的横向声音。这一理论得到了浸会大学马冠聪博士团队的实验验证。此外，研究小组发现，空气在微极超材料内部表现得像一种弹性材料，因此支持具有自旋和轨道角动量的横向声。使用这种超材料，他们首次展示了两种声音的自旋轨道相互作用。一种是动量空间自旋轨道相互作用，它引起横向声的负折射，这意味着声音在通过界面时会向相反的方向弯曲。另一种是实空间自旋轨道相互作用，它在横向声的激发下产生声涡。研究结果表明，空气传播的声音或流体中的声音可以是横波，并具有与光相同的自旋角动量等全矢量特性。它为超越传统标量自由度的声音处理提供了新的视角和功能。 “这只是一个前奏。我们期待对横向声的有趣特性进行更多探索，”王博士说。“未来，通过操纵这些额外的矢量特性，科学家们可能能够将更多数据编码到横向声音中，以打破常规声波的传统声学通信的瓶颈。”

由真实空间中的自旋轨道相互作用产生的声音涡流。

图片来源：王书波等人。DOI: 10.1038/s41467-021-26375-9自旋与轨道角动量的相互作用通过其角动量实现了前所未有的声音处理。他补充说：“这一发现可能为声学通信、声学传感和成像方面的新应用的发展开辟了一条途径。”王博士为该论文的第一作者和通讯作者。马冠聪博士是另一位通讯作者。合作者包括香港科技大学Jensen Li教授，香港城市大学博士生Tong Qing女士以及香港浸会大学的其他研究人员。 更多信息参考：Shubo Wang et al, Spin-orbit interactions of transverse sound,Nature Communications (2021). DOI: 10.1038/s41467-021-26375-9 通过阅读原文了解此项研究成果。
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