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(xué)的一個研究小組發(fā)現(xiàn)了一種新型的聲波：空氣中的聲波橫向振動，并像光一樣攜帶自旋和軌道角動量。這一發(fā)現(xiàn)打破了科學(xué)家們以前對聲波的看法，為開發(fā)聲學(xué)通信、聲學(xué)傳感和成像方面的新應(yīng)用開辟了一條道路。

　　這項研究由香港城市大學(xué)物理系助理教授王樹波（音譯）博士發(fā)起并共同領(lǐng)導(dǎo)，并與香港浸會大學(xué)和香港科技大學(xué)的科學(xué)家們合作進行。該研究發(fā)表在《自然通訊》上。

　　超越對聲波的傳統(tǒng)理解

　　物理學(xué)教科書告訴我們，有兩種波。在像光這樣的橫波中，振動是垂直于波的傳播方向的。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(xué)科學(xué)家們的最新發(fā)現(xiàn)改變了人們對聲波的這種認(rèn)識。

　　“如果你和物理學(xué)家談?wù)摽諝庵械臋M向聲音，他/她會認(rèn)為你是一個沒有受過大學(xué)物理學(xué)訓(xùn)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?！半m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（一個只存在于橫波中的重要屬性），即兩種角動量之間的耦合。這一發(fā)現(xiàn)為聲音操作提供了新的自由度?！?/p>

　　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(xiàn)橫向聲音，這需要剪切力。然后他想到，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(yuǎn)遠(yuǎn)小于波長，就可能產(chǎn)生合成剪切力。這些空氣"元原子"的集體運動可以產(chǎn)生宏觀尺度上的橫向聲音。

　　"微極超材料"的構(gòu)想和實現(xiàn)

　　他巧妙地設(shè)計了一種被稱為"微極超材料"的人工材料來實現(xiàn)這一想法，它看起來像一個復(fù)雜的諧振器網(wǎng)絡(luò)?？諝獗幌拗圃谶@些相互連接的諧振器內(nèi)，形成"元原子"。超材料足夠堅硬，所以只有里面的空氣可以振動并支持聲音的傳播。理論計算表明，這些空氣"元原子"的集體運動確實產(chǎn)生了剪切力，從而在這個超材料內(nèi)部產(chǎn)生了具有自旋-軌道相互作用的橫向聲音。浸會大學(xué)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(fā)現(xiàn)，空氣在微極超材料內(nèi)表現(xiàn)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(fù)折射，意味著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(chǎn)生聲音渦流。

　　研究結(jié)果表明，空氣中的聲音，或流體中的聲音，可以是一種橫波，并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(tǒng)標(biāo)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?！蓖醪┦空f：“我們預(yù)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(xué)家們也許能夠?qū)⒏嗟臄?shù)據(jù)編碼到橫聲中，以打破傳統(tǒng)聲波通信的瓶頸?！?/p>

　　“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(fā)現(xiàn)可能為開發(fā)聲學(xué)通信、聲學(xué)傳感和成像方面的新型應(yīng)用開辟了一條途徑?！?/p>