Špeciálna priečna zvuková vlna zásadne rozšíri možnosti akustiky

Výskumný tím na City University of Hong Kong (CityU) objavil nový typ zvukovej vlny. Zvuková vlna prenášaná vzduchom vibruje priečne a prenáša rotáciu aj orbitálny moment hybnosti ako svetlo. Zistenia narušili predchádzajúce poznatky vedcov o zvukovej vlne a otvorili cestu pre vývoj nových aplikácií v akustickej komunikácii, akustickom snímaní a zobrazovaní. Výskum bol publikovaný v časopise Nature Communications. Učebnice fyziky hovoria, že existujú dva druhy vĺn. V priečnych vlnách, ako je svetlo, sú vibrácie kolmé na smer šírenia vĺn.

V pozdĺžnych vlnách, ako je zvuk, sú vibrácie rovnobežné so smerom šírenia vĺn. Najnovší objav vedcov z CityU však toto chápanie zvukových vĺn mení. V bežných prípadoch je zvuk šírený vzduchom pozdĺžne vlnenie, no vedci teraz po prvý raz demonštrovali, že za určitých podmienok môže ísť aj o priečne vlnenie. Neprítomnosť šmykovej sily vo vzduchu alebo tekutinách je dôvod, prečo je zvuk pozdĺžnou vlnou. Vedci skúmali, či je možné realizovať priečny zvuk pomocou umelej šmykovej sily.

Tá môže vzniknúť, ak je vzduch diskretizovaný na „metaatómy“, t. j. volumetrický vzduch uzavretý v malých rezonátoroch s veľkosťou oveľa menšou, ako je vlnová dĺžka. Spoločný pohyb týchto vzduchových „metaatómov“ môže spôsobiť vznik priečneho zvuku v makroskopickej mierke. Na realizáciu tejto myšlienky tím navrhol typ umelého materiálu nazývaného mikropolárny metamateriál, ktorý sa javí ako zložitá sieť rezonátorov. Vzduch je uzavretý v týchto vzájomne prepojených rezonátoroch, ktoré tvoria „metaatómy“.

Metamateriál je dostatočne tvrdý, takže vibruje iba vzduch vnútri a podporuje šírenie zvuku. Teoretické výpočty ukázali, že kolektívny pohyb týchto vzduchových „metaatómov“ skutočne vytvára šmykovú silu, ktorá spôsobuje vznik priečneho zvuku so spinovo-orbitálnymi interakciami vnútri tohto metamateriálu. Teória bola overená aj experimentmi. Okrem toho výskumný tím zistil, že vzduch sa vo vnútri mikropolárneho metamateriálu správa ako elastický materiál, a tak podporuje priečny zvuk so spinom aj orbitálnym momentom hybnosti.

Výsledky ukázali, že zvuk prenášaný vzduchom alebo zvuk v tekutinách môže byť priečna vlna a môže niesť úplné vektorové vlastnosti, ako je moment hybnosti, rovnako ako svetlo. V budúcnosti môžu vedci byť schopní manipuláciou s týmito extra vektorovými vlastnosťami zakódovať do priečneho zvuku viac údajov a prelomiť tak úzke hrdlo tradičnej akustickej komunikácie pomocou bežných zvukových vĺn.

Zdroj: phys.org.