By: CITY UNIVERSITY OF HONG KONG
¿Te imaginas que el sonido viaja de la misma manera que lo hace la luz? Un equipo de investigación de la City University of Hong Kong (CityU) descubrió un nuevo tipo de onda de sonido: la onda de sonido en el aire vibra transversalmente y transporta tanto el momento angular orbital como el giro como lo hace la luz. Los hallazgos hicieron añicos las creencias previas de los científicos sobre la onda de sonido, abriendo una vía para el desarrollo de aplicaciones novedosas en comunicaciones acústicas, detección acústica e imágenes.
La investigación fue iniciada y codirigida por el Dr. Wang Shubo, profesor asistente en el Departamento de Física de CityU, y se llevó a cabo en colaboración con científicos de la Universidad Bautista de Hong Kong (HKBU) y la Universidad de Ciencia y Tecnología de Hong Kong (HKUST). . Fue publicado en Nature Communications , titulado “Interacciones giro-órbita del sonido transversal”.
Más allá de la comprensión convencional de las ondas sonoras
Los libros de texto de física nos dicen que hay dos tipos de ondas. En ondas transversales como la luz, las vibraciones son perpendiculares a la dirección de propagación de la onda. En ondas longitudinales como el sonido, las vibraciones son paralelas a la dirección de propagación de la onda. Pero el último descubrimiento de los científicos de CityU cambia esta comprensión de las ondas sonoras.
“Si habla con un físico sobre el sonido transversal en el aire, él / ella pensaría que es un lego sin formación en física universitaria porque los libros de texto dicen que el sonido en el aire (es decir, el sonido que se propaga en el aire) es una onda longitudinal”, dijo el Dr. Wang. “Si bien el sonido en el aire es una onda longitudinal en los casos habituales, demostramos por primera vez que puede ser una onda transversal en determinadas condiciones. E investigamos sus interacciones espín-órbita (una propiedad importante solo existe en ondas transversales), es decir, el acoplamiento entre dos tipos de momento angular. El hallazgo proporciona nuevos grados de libertad para las manipulaciones del sonido “.
La ausencia de fuerza de corte en el aire o fluidos es la razón por la que el sonido es una onda longitudinal, explicó el Dr. Wang. Había estado explorando si es posible realizar un sonido transversal, que requiere fuerza de corte. Luego concibió la idea de que la fuerza de corte sintética puede surgir si el aire se discretiza en “meta-átomos”, es decir, aire volumétrico confinado en pequeños resonadores con un tamaño mucho menor que la longitud de onda. El movimiento colectivo de estos “metaátomos” de aire puede dar lugar a un sonido transversal en la escala macroscópica.
Concepción y realización de “metamaterial micropolar”
Ingeniosamente diseñó un tipo de material artificial llamado “metamaterial micropolar” para implementar esta idea, que aparece como una compleja red de resonadores. El aire está confinado dentro de estos resonadores conectados entre sí, formando los “metaátomos”. El metamaterial es lo suficientemente duro como para que solo el aire del interior pueda vibrar y soportar la propagación del sonido. Los cálculos teóricos mostraron que el movimiento colectivo de estos “metaátomos” de aire produce efectivamente la fuerza de corte, que da lugar al sonido transversal con interacciones espín-órbita dentro de este metamaterial. Esta teoría fue verificada por experimentos llevados a cabo por el grupo del Dr. Ma Guancong en HKBU.
Además, el equipo de investigación descubrió que el aire se comporta como un material elástico dentro del metamaterial micropolar y, por lo tanto, soporta el sonido transversal con giro y momento angular orbital. Usando este metamaterial, demostraron por primera vez dos tipos de interacciones entre el sonido y la órbita. Una es la interacción impulso-espacio espín-órbita que da lugar a la refracción negativa del sonido transversal, lo que significa que el sonido se dobla en direcciones opuestas cuando pasa a través de una interfaz. Otro es la interacción espín-órbita del espacio real que genera vórtices de sonido bajo la excitación del sonido transversal.
Los hallazgos demostraron que el sonido en el aire, o el sonido en fluidos, puede ser una onda transversal y tener propiedades vectoriales completas, como el momento angular de giro, al igual que la luz. Proporciona nuevas perspectivas y funcionalidades para manipulaciones de sonido más allá del grado de libertad escalar convencional.
“Esto es solo un precursor. Anticipamos más exploraciones de las intrigantes propiedades del sonido transversal ”, dijo el Dr. Wang. “En el futuro, al manipular estas propiedades vectoriales adicionales, los científicos pueden codificar más datos en el sonido transversal para romper el cuello de botella de la comunicación acústica tradicional mediante ondas de sonido normales”.
La interacción del giro con el momento angular orbital permite manipulaciones de sonido sin precedentes a través de su momento angular. “El descubrimiento puede abrir una vía para el desarrollo de aplicaciones novedosas en comunicaciones acústicas, detección acústica e imágenes”, agregó.
