中国物理学家发现了一种特殊的横波

诸平

Fig. 1 Illustration of the “meta-atom” and transverse sound. Credit: S. Wang et al, DOI: 10.1038/s41467-021-26375-9

Fig. 2 Negative refraction induced by the spin-orbit interaction in momentum space. Credit: S. Wang et al. DOI: 10.1038/s41467-021-26375-9

Fig. 3 Sound vortex generation enabled by the spin-orbit interaction in real space. Credit: S. Wang et al. DOI: 10.1038/s41467-021-26375-9 

据中国香港城市大学（City University of Hong Kong简称CityU）2021年12月7日提供的消息，该校物理学家发现了一种特殊的横波（CityU physicists discovered special transverse sound wave）。

你能想象声音和光以同样的方式传播吗? CityU的一个研究团队发现了一种新型声波:空气中的声波横向振动，像光一样携带自旋和轨道角动量。这一发现打破了科学家先前对声波的认识，为声学通信、声学传感和成像领域的新应用开辟了一条道路。

这项研究由CityU物理系助理教授王树波（Shubo Wang音译）博士牵头，并与香港浸会大学(Hong Kong Baptist University简称HKBU)及香港科技大学（Hong Kong University of Science and Technology简称HKUST)的科学家合作进行。相关论文于2021年10月21日已经在《自然通讯》（Nature Communications）杂志网站发表——Shubo Wang, Guanqing Zhang, Xulong Wang, Qing Tong, Jensen Li, Guancong Ma. Spin-orbit interactions of transverse sound. Nature Communications, 2021, Volume 12, Article number: 6125. DOI: 10.1038/s41467-021-26375-9. Published: 21 October 2021. https://doi.org/10.1038/s41467-021-26375-9

超越了传统对声波的理解（Beyond the conventional understanding of sound wave）

物理教科书告诉我们有两种波。在象光这样的横波（transverse waves）中，振动垂直于波的传播方向。在象声音这样的纵波中，振动与波的传播方向平行。但CityU科学家的最新发现改变了人们对声波的理解。

王树波博士说：“如果你和一个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训练的门外汉，因为课本上说空气中的声音(即在空气中传播的声音)是纵波。虽然在通常情况下，空气中的声音是纵波，但我们首次证明了在某些条件下它可以是横波。我们还研究了它的自旋轨道相互作用(这是只存在于横波中的一个重要性质)，即两种角动量之间的耦合。这一发现为声音处理提供了新的自由度。”

王树波博士解释说，空气或流体中没有剪切力是声音是纵波（longitudinal wave）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。然后他设想，如果将空气离散成“超原子（meta-atoms）”，即体积上的空气，被限制在比波长小得多的小谐振器中，就可能产生合成剪切力（synthetic shear force）。这些空气“超原子”的集体运动可以在宏观尺度上产生横向声音。

“微极超材料”的概念与实现（Conception and realization of 'micropolar metamaterial'）

他巧妙地设计了一种名为“微极超材料”的人造材料来实现这一想法，这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中，形成了“超原子”。这种超材料非常坚硬，以至于只有内部的空气才能振动并支持声音的传播。理论计算（theoretical calculations）表明，这些空气“超原子”的集体运动确实产生了剪切力，从而在这种超材料（metamaterial）内部产生了带有自旋轨道相互作用的横向声。这一理论在浸会大学（HKBU）马冠聪(Guancong Ma音译)博士团队的实验中得到了验证。

此外，研究小组发现，空气在微极超材料（micropolar metamaterial）内部表现为一种弹性材料（elastic material），因此可以用自旋角动量和轨道角动量支持横向声音。利用这种超材料，他们首次证明了两种类型的声音自旋轨道相互作用。一个是动量-空间自旋-轨道相互作用（momentum-space spin-orbit interaction），它会导致横向声音的负折射，这意味着当声音通过一个界面时，会向相反的方向弯曲。另一种是实空间自旋轨道相互作用（real-space spin-orbit interaction），在横向声源的激励下产生声漩涡。

研究结果表明，空气中的声音，或流体中的声音，可以是横波，并像光一样携带完整的矢量特性，如自旋角动量。它提供了超越传统标量自由度的声音处理的新视角和新功能。

王树波博士说：“这只是一个前兆。我们期待对横向声的有趣性质进行更多的探索。未来，通过操纵这些额外的矢量特性，科学家们可能能够将更多的数据编码到横向声音中，从而打破传统的通过普通声波进行声学通信的瓶颈。”

自旋(spin)与轨道角动量(orbital angular momentum)的相互作用使其通过角动量实现了前所未有的声音操纵。他补充说:“这一发现可能为发展在声学通信、声学传感和成像方面的新应用开辟一条道路。”

王树波博士是上述论文的第一作者和通讯作者。马冠聪博士是另一位通讯作者。合作者包括香港科技大学李延森（Jensen Li音译）教授、城市大学博士生佟青（Qing Tong音译）女士，以及浸大（HKBU）的其他研究人员。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Improving the manipulation of microparticles by sound

Abstract

Spin-orbit interactions (SOIs) endow light with intriguing properties and applications such as photonic spin-Hall effects and spin-dependent vortex generations. However, it is counterintuitive that SOIs can exist for sound, which is a longitudinal wave that carries no intrinsic spin. Here, we theoretically and experimentally demonstrate that airborne sound can possess artificial transversality in an acoustic micropolar metamaterial and thus carry both spin and orbital angular momentum. This enables the realization of acoustic SOIs with rich phenomena beyond those in conventional acoustic systems. We demonstrate that acoustic activity of the metamaterial can induce coupling between the spin and linear crystal momentum k, which leads to negative refraction of the transverse sound. In addition, we show that the scattering of the transverse sound by a dipole particle can generate spin-dependent acoustic vortices via the geometric phase effect. The acoustic SOIs can provide new perspectives and functionalities for sound manipulations beyond the conventional scalar degree of freedom and may open an avenue to the development of spin-orbit acoustics.