物理学家发现一种引人注目的新型声波

你能想象声音的传播方式与光的传播方式相同吗？中国香港城市大学的一个研究小组发现了一种新型的声波：空气中的声波横向振动，并像光一样携带自旋和轨道角动量。这一发现打破了科学家们以前对声波的看法，为开发声学通信、声学传感和成像方面的新应用开辟了一条道路。

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这项研究由香港城市大学物理系助理教授王树波（音译）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们合作进行。该研究发表在《自然通讯》上。

超越对声波的传统理解

物理学教科书告诉我们，有两种波。在像光这样的横波中，振动是垂直于波的传播方向的。在像声音这样的纵波中，振动与波的传播方向平行。但香港城市大学科学家们的最新发现改变了人们对声波的这种认识。

“如果你和物理学家谈论空气中的横向声音，他/她会认为你是一个没有受过大学物理学训练的门外汉，因为教科书上说空气中的声音（即在空气中传播的声音）是一种纵波，”王树波博士说。“虽然空气传播的声音在通常情况下是纵波，但我们首次证明在某些条件下它可以是横波。而且我们研究了它的自旋-轨道相互作用（一个只存在于横波中的重要属性），即两种角动量之间的耦合。这一发现为声音操作提供了新的自由度。”

王树波博士解释说，空气或流体中没有剪切力，这是声音是纵波的原因。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，如果将空气离散成"元原子"，即限制在小型谐振器中的体积空气，其大小远远小于波长，就可能产生合成剪切力。这些空气"元原子"的集体运动可以产生宏观尺度上的横向声音。

"微极超材料"的构想和实现

他巧妙地设计了一种被称为"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"元原子"。超材料足够坚硬，所以只有里面的空气可以振动并支持声音的传播。理论计算表明，这些空气"元原子"的集体运动确实产生了剪切力，从而在这个超材料内部产生了具有自旋-轨道相互作用的横向声音。浸会大学马冠聪博士的研究小组通过实验验证了这一理论。

此外，研究小组发现，空气在微极超材料内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音。利用这种超材料，他们首次展示了两种类型的声音自旋或轨道相互作用。一种是动量空间自旋轨道相互作用，它引起了横向声音的负折射，意味着声音在通过界面时向相反方向弯曲。另一个是实空间自旋-轨道相互作用，在横向声音的激励下产生声音涡流。

研究结果表明，空气中的声音，或流体中的声音，可以是一种横波，并与光一样携带完整的矢量属性，如自旋角动量。它为超越传统标量自由度的声音操作提供了新的视角和功能。

“这只是一个前奏。”王博士说：“我们预计将对横向声音的耐人寻味的特性进行更多探索。将来，通过操纵这些额外的矢量特性，科学家们也许能够将更多的数据编码到横声中，以打破传统声波通信的瓶颈。”

“自旋与轨道角动量的相互作用使得通过其角动量进行前所未有的声音操纵。”他补充说：“这一发现可能为开发声学通信、声学传感和成像方面的新型应用开辟了一条途径。”

关键词： 科学探索 物理学家发现一种引人注目的新型声波 cnBeta