Você consegue imaginar o som viajando da mesma forma que a luz? Uma equipe de pesquisa da City University of Hong Kong (CityU) descobriu um novo tipo de onda sonora: a onda sonora aerotransportada vibra transversalmente e carrega o spin e o momento angular orbital como a luz. As descobertas abalaram as crenças anteriores dos cientistas sobre a onda sonora, abrindo um caminho para o desenvolvimento de novas aplicações em comunicações acústicas, sensoriamento acústico e imagens.
A pesquisa foi iniciada e co-liderada pelo Dr. Shubo Wang, Professor Assistente do Departamento de Física da CityU, e conduzida em colaboração com cientistas da Universidade Batista de Hong Kong (HKBU) e da Universidade de Ciência e Tecnologia de Hong Kong (HKUST). Foi publicado na Nature Communications, intitulado “Interações spin-órbita de som transversal”.
Além da compreensão convencional da onda sonora
Os livros de física nos dizem que existem dois tipos de ondas. Em ondas transversais como a luz, as vibrações são perpendiculares à direção de propagação das ondas. Em ondas longitudinais como o som, as vibrações são paralelas à direção de propagação das ondas. Mas a última descoberta dos cientistas da CityU muda essa compreensão das ondas sonoras.
“Se você falar com um físico sobre o som transversal aerotransportado, ele / ela pensará que você é um leigo sem treinamento em física universitária porque os livros didáticos dizem que o som aerotransportado (ou seja, o som se propagando no ar) é uma onda longitudinal”, disse o Dr. Wang. “Embora o som aerotransportado seja uma onda longitudinal em casos usuais, demonstramos pela primeira vez que pode ser uma onda transversal sob certas condições. E investigamos suas interações spin-órbita (uma propriedade importante só existe em ondas transversais), ou seja, o acoplamento entre dois tipos de momento angular. A descoberta fornece novos graus de liberdade para manipulações de som.”
A ausência de força de cisalhamento no ar, ou fluidos, é a razão pela qual o som é uma onda longitudinal, explicou o Dr. Wang. Ele vinha explorando se é possível realizar o som transversal, que requer força de cisalhamento. Então ele concebeu a ideia de que a força de cisalhamento sintética pode surgir se o ar for discretizado em “meta-átomos”, isto é, ar volumétrico confinado em pequenos ressonadores com tamanho muito menor do que o comprimento de onda. O movimento coletivo desses “metaátomos” do ar pode dar origem a um som transversal na escala macroscópica.
Concepção e realização de ‘metamaterial micropolar’
Ele engenhosamente projetou um tipo de material artificial chamado “metamaterial micropolar” para implementar essa ideia, que aparece como uma rede complexa de ressonadores. O ar é confinado dentro desses ressonadores mutuamente conectados, formando os “meta-átomos”. O metamaterial é duro o suficiente para que apenas o ar em seu interior possa vibrar e suportar a propagação do som. Os cálculos teóricos mostraram que o movimento coletivo desses “metaátomos” do ar de fato produz a força de cisalhamento, que dá origem ao som transversal com interações spin-órbita dentro desse metamaterial. Esta teoria foi verificada por experimentos conduzidos pelo grupo do Dr. Ma Guancong em HKBU.
Além disso, a equipe de pesquisa descobriu que o ar se comporta como um material elástico dentro do metamaterial micropolar e, portanto, suporta o som transversal com spin e momento angular orbital. Usando este metamaterial, eles demonstraram dois tipos de interações spin-órbita de som pela primeira vez. Uma é a interação spin-órbita do espaço-momento, que dá origem à refração negativa do som transversal, o que significa que o som se curva em direções opostas ao passar por uma interface. Outra é a interação spin-órbita no espaço real, que gera vórtices sonoros sob a excitação do som transversal.
As descobertas demonstraram que o som no ar, ou som em fluidos, pode ser uma onda transversal e carregar todas as propriedades do vetor, como o momento angular de rotação, da mesma forma que a luz. Ele fornece novas perspectivas e funcionalidades para manipulações de som além do grau de liberdade escalar convencional.
“Este é apenas um precursor. Antecipamos mais explorações das propriedades intrigantes do som transversal”, disse o Dr. Wang. “No futuro, ao manipular essas propriedades vetoriais extras, os cientistas podem ser capazes de codificar mais dados no som transversal para quebrar o gargalo da comunicação acústica tradicional por ondas sonoras normais.”
A interação do spin com o momento angular orbital permite manipulações de som sem precedentes por meio de seu momento angular. “A descoberta pode abrir um caminho para o desenvolvimento de novas aplicações em comunicações acústicas, sensoriamento acústico e imagem”, acrescentou.
Dr. Wang é o primeiro autor e o autor correspondente do artigo. Dr. Ma é outro autor correspondente. Os colaboradores incluem o Professor Li Jensen da Universidade de Ciência e Tecnologia de Hong Kong, a Sra. Tong Qing, uma Ph.D. estudante da CityU, e outros pesquisadores do HKBU.
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