Los científicos descubren un nuevo tipo de onda sonora

Hasta ahora, se acepta que las ondas se dividen en dos categorías: ondas transversales y ondas longitudinales. Una onda se considera transversal cuando la deformación del medio es perpendicular a la dirección de propagación de la onda; este es el caso de las ondas electromagnéticas como las ondas de luz. Una onda se llama longitudinal cuando la deformación del medio es en la misma dirección que la propagación; este es, por ejemplo, el caso de las ondas sonoras y las ondas sísmicas. Pero el descubrimiento realizado por los investigadores de CityU cuestiona completamente la naturaleza de las ondas sonoras.

La primera demostración de una onda de sonido transversal.

El sonido es una vibración mecánica que se propaga en forma de ondas longitudinales gracias a la deformación elástica del medio de propagación. » Si hablas con un físico de sonido transversal aéreo, él pensará que eres un laico no capacitado en física universitaria porque los libros de texto dicen que el sonido aéreo (es decir, el sonido que viaja por el aire) es una onda longitudinal. », dijo el Dr. Shubo Wang, investigadora del Departamento de Física de CityU. De hecho, en condiciones normales, debido a la ausencia de fuerza de corte en el aire, el sonido en el aire es una onda longitudinal.

Por lo tanto, el Dr. Wang se preguntó si sería posible generar una onda de sonido transversal agregando artificialmente una fuerza cortante al aire. Por lo tanto, consideró crear tal fuerza dividiendo el aire en «metaátomos», que definió como aire volumétrico confinado en pequeños resonadores cuyo tamaño es mucho menor que su longitud de onda. El movimiento colectivo de estos «metaátomos» en el aire puede dar lugar a un sonido transversal a escala macroscópica.

Ilustración de metaátomos y sonido transversal. Créditos: S. Wang et al., Nat. Com. (2021)

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Para implementar esta idea, él y su equipo desarrollaron un material artificial llamado “metamaterial micropolar”, que parece una red compleja de resonadores. El aire está confinado dentro de estos resonadores conectados, que forman los metaátomos. Este metamaterial es lo suficientemente duro como para que solo el aire en su interior pueda vibrar y promover la propagación del sonido.

Los cálculos teóricos han demostrado que el movimiento colectivo de los metaátomos del aire en realidad produce la fuerza de corte necesaria para dar lugar a una onda de sonido transversal, con interacciones espín-órbita dentro del metamaterial, es decir, el acoplamiento entre dos tipos de momento angular (un propiedad que solo existe en ondas transversales). El giro está asociado con la polarización circular (grados de libertad del vector) de las ondas y se caracteriza por la rotación local de un campo vectorial; El momento angular orbital proviene del gradiente de fase espacial (grado escalar de libertad) de las ondas y se manifiesta como un frente de onda helicoidal. Las interacciones espín-órbita pueden dar lugar a fenómenos y aplicaciones intrigantes en óptica, como el efecto hall fotónico.

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Hacia el desarrollo de la acústica en órbita giratoria

La teoría fue verificada experimentalmente por un equipo dirigido por el Dr. Ma Guancong de Universidad Bautista de Hong Kong. Se muestran sus resultados. en el Comunicaciones de la naturaleza. El equipo descubrió que dentro del metamaterial micropolar, el aire se comporta como un material elástico, por lo que transporta el sonido de forma transversal con el momento angular de rotación y el momento angular orbital.

Demostración experimental de la refracción negativa del sonido. (a) Fotografía del metamaterial y área de medición (en amarillo). (b) La amplitud y (c) la parte real del campo de presión medido. (d) La amplitud ye) la parte real del campo de presión simulado. Créditos: S. Wang et al., Nat. Com. (2021)

Usando este metamaterial, demostraron por primera vez dos tipos de interacciones espín-órbita del sonido: una es una interacción espín-órbita en el espacio de momento, que da como resultado una refracción transversal negativa del sonido, lo que significa que el sonido se dobla en direcciones opuestas. pasa a través de una interfaz; la otra es una interacción espín-órbita en el espacio real (o espacio de posición), que genera vórtices sónicos bajo el efecto de la excitación sonora transversal.

Generación de vórtices sonoros por interacción espín-órbita en el espacio real. Créditos: S. Wang et al., Nat. Com. (2021)

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Los resultados del equipo permitieron, por tanto, demostrar que el sonido aerotransportado, o el sonido que se propaga en fluidos, puede tener una transversalidad artificial y, como las ondas de luz, portar espín y momento orbital angular. Sin duda, esto abre nuevas perspectivas y funcionalidades para la manipulación del sonido, más allá del grado de libertad escalar convencional. La interacción del espín con el momento angular orbital permite manipulaciones de sonido sin precedentes, que quizás conduzcan a nuevas aplicaciones en el campo de la comunicación o la detección acústica.

El Dr. Wang planea continuar su investigación para explorar otras propiedades vectoriales de las ondas sonoras transversales. » meLos científicos pueden codificar más datos en sonido transversal para romper el cuello de botella de la comunicación acústica tradicional. asociado con ondas sonoras patróns «él declaró.