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(xiàng)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(jìn)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?yàn)榻炭茣险f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(shí)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(yùn)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(shí)現(xiàn)

　　他巧妙地設(shè)計(jì)了一種被稱為"微極超材料"的人工材料來實(shí)現(xiàn)這一想法,，它看起來像一個復(fù)雜的諧振器網(wǎng)絡(luò),。空氣被限制在這些相互連接的諧振器內(nèi),，形成"元原子",。超材料足夠堅(jiān)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(jì)算表明,，這些空氣"元原子"的集體運(yùn)動確實(shí)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(shí)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(jì)將對橫向聲音的耐人尋味的特性進(jìn)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(jìn)行前所未有的聲音操縱,。”他補(bǔ)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,。”