你能想象聲音的傳播方式與光的傳播方式相同嗎？中國香港城市大學的一個研究小組發現了一種新型的聲波：空氣中的聲波橫向振動，並像光一樣攜帶自旋和軌道角動量。這一發現打破了科學家們以前對聲波的看法，為開發聲學通信、聲學傳感和成像方面的新應用開闢了一條道路。
這項研究由香港城市大學物理系助理教授王樹波（音譯）博士發起並共同領導，並與香港浸會大學和香港科技大學的科學家們合作進行。該研究發表在《自然通訊》上。
超越對聲波的傳統理解
物理學教科書告訴我們，有兩種波。在像光這樣的橫波中，振動是垂直於波的傳播方向的。在像聲音這樣的縱波中，振動與波的傳播方向平行。但香港城市大學科學家們的最新發現改變了人們對聲波的這種認識。
“如果你和物理學家談論空氣中的橫向聲音，他/她會認為你是一個沒有受過大學物理學訓練的門外漢，因為教科書上說空氣中的聲音（即在空氣中傳播的聲音）是一種縱波，”王樹波博士說。“雖然空氣傳播的聲音在通常情況下是縱波，但我們首次證明在某些條件下它可以是橫波。而且我們研究了它的自旋-軌道相互作用（一個只存在於橫波中的重要屬性），即兩種角動量之間的耦合。這一發現為聲音操作提供了新的自由度。”
王樹波博士解釋說，空氣或流體中沒有剪切力，這是聲音是縱波的原因。他一直在探索是否有可能實現橫向聲音，這需要剪切力。然後他想到，如果將空氣離散成”元原子”，即限制在小型諧振器中的體積空氣，其大小遠遠小于波長，就可能產生合成剪切力。這些空氣”元原子”的集體運動可以產生宏觀尺度上的橫向聲音。
“微極超材料”的構想和實現
他巧妙地設計了一種被稱為”微極超材料”的人工材料來實現這一想法，它看起來像一個複雜的諧振器網絡。空氣被限制在這些相互連接的諧振器內，形成”元原子”。超材料足夠堅硬，所以只有裡面的空氣可以振動並支持聲音的傳播。理論計算表明，這些空氣”元原子”的集體運動確實產生了剪切力，從而在這個超材料內部產生了具有自旋-軌道相互作用的橫向聲音。浸會大學馬冠聰博士的研究小組通過實驗驗證了這一理論。
此外，研究小組發現，空氣在微極超材料內表現得像一種彈性材料，因此支持具有自旋和軌道角動量的橫向聲音。利用這種超材料，他們首次展示了兩種類型的聲音自旋或軌道相互作用。一種是動量空間自旋軌道相互作用，它引起了橫向聲音的負折射，意味着聲音在通過界面時向相反方向彎曲。另一個是實空間自旋-軌道相互作用，在橫向聲音的激勵下產生聲音渦流。
研究結果表明，空氣中的聲音，或流體中的聲音，可以是一種橫波，並與光一樣攜帶完整的矢量屬性，如自旋角動量。它為超越傳統標量自由度的聲音操作提供了新的視角和功能。
“這只是一個前奏。”王博士說：“我們預計將對橫向聲音的耐人尋味的特性進行更多探索。將來，通過操縱這些額外的矢量特性，科學家們也許能夠將更多的數據編碼到橫聲中，以打破傳統聲波通信的瓶頸。”
“自旋與軌道角動量的相互作用使得通過其角動量進行前所未有的聲音操縱。”他補充說：“這一發現可能為開發聲學通信、聲學傳感和成像方面的新型應用開闢了一條途徑。”