香港城大物理學家發現獨特的橫向聲波

你能想像聲波的傳播方式原來可以與光波一樣嗎？香港城市大學（香港城大）的一個科研團隊發現了一種新型的聲波。這種特殊的聲波在空氣中傳播時不僅像橫波般振動，而且還像光一樣能同時攜帶自旋和軌道角動量。這一發現打破了科學家們一直以來對聲波的看法，為開發聲波通訊、聲波傳感和成像等應用，開闢了新道路。

這項研究由香港城大物理學系助理教授王書波博士發起，並與香港浸會大學（浸大）和香港科技大學（科大) 的科學家共同合作。有關的論文已發表於科學期刊《自然通訊》（Nature Communications），題為〈Spin-orbit interactions of transverse sound〉。

超越對聲波的傳統理解

物理學教科書一直告訴我們，自然界存在兩種波。第一種是像光這樣的「橫波」（transverse waves），其振動方向垂直於波的傳播方向；第二種是「縱波」（longitudinal waves），其振動方向與波的傳播方向平行，例如聲波。但香港城大科學家最新發現的「橫聲波」，便改變了大家對聲波的傳統理解。

「如果你跟一位物理學家說，空氣可以傳播橫聲波，他/她會認為你是一個沒有受過大學物理學訓練的門外漢，因為教科書上說，空氣中的聲波是一種縱 波。」王書波博士說。「儘管聲波在通常情況下是縱波，但透過今次的研究，我們首次證明在特定條件下空氣中可以傳播橫聲波。我們進一步研究了它的自旋軌道相互作用，即是兩種角動量之間的耦合。這一嶄新的發現，為聲波的調控提供了新的自由度。」

「微極超材料」的構思和實現

為了實現這個創新的想法，王博士巧妙地設計了一種叫做 「微極超材料」（micropolar metamaterial）的人工物料，它看起來像是一個複雜的諧振器網絡。空氣被限制在多個相互連接的諧振器內，形成「超原子」。由於超材料本身極為堅硬，不會變形或振動，所以只有超材料內裡的空氣可以振動并傳播聲波。理論計算顯示，這些空氣「超原子」的集體運動確實產生了剪應力，繼而在這種超材料內部產生了具有「自旋-軌道」相互作用的橫聲波。浸大馬冠聰博士的研究小組通過實驗成功驗證了上述理論。

此外，研究團隊亦發現在微極超材料的內部，空氣呈現出仿如彈性材料的特性，因此支持具有自旋和軌道角動量的橫聲波。利用這種超材料，團隊首次展示了兩種類型的聲波自旋軌道相互作用。第一種是「動量空間自旋軌道相互作用」（momentum-space spin-orbit interaction），它導致了橫聲波的「負折射」，即是當聲波通過一個界面時，聲波向相反的方向彎曲及折射；第二種是「實空間自旋軌道相互作用」（real-space spin-orbit interaction），在入射橫聲波的激發下，產生了聲渦旋（sound vortices）。

王博士解釋，聲波之所以是縱波，是因為空氣或液體中沒有剪應力（shear force）。他一直在探索是否有可能產生橫聲波，這需要人工構造的剪應力。於是他設想假如空氣被分割成 「超原子」（meta-atoms），即是將一定體積的空氣限制在亞波長的小型「諧振器」內，就可能會產生剪應力。而這些空氣「超原子」的集體運動，可以在宏觀尺度上產生橫向振動的聲波，即橫聲波。

研究結果證明，無論空氣中還是流體中的聲波，在特定條件下都可以是橫波，並且可以像光波一樣帶有完整的矢量特性，例如自旋角動量。有關研究成果為聲波調控提供了新的角度及功能，突破了傳統聲波調控技術的限制。

「今次的研究成果盼能收拋磚引玉之效，我們期待對橫聲波的有趣特性進行更多的研究及探索。」王書波博士暢想到，「將來，通過調控這些額外的矢量特性，科學家們也許能夠將更多的數據編進到橫聲波之中，以打破依賴普通聲波的傳統聲學通訊技術的瓶頸。」他補充，自旋與軌道角動量的相互作用，將令到科學家可以利用角動量對聲波進行前所未見的調控及應用：「今次研究的最新發現，有機會為聲波通訊、聲波傳感和成像的新型應用的發展，開闢出一條新的道路。」

香港城大王書波博士是上述科學論文的第一作者和通訊作者，浸大馬冠聰博士是另一位通訊作者。其他合作者還包括香港科技大學的李贊恒教授、香港城大博士生童清小姐，以及浸大的其他科研人員。今次的研究工作，得到了香港研究資助局和中國國家自然科學基金的支持。

https://www.cityu.edu.hk/zh-hk/research/stories/2021/12/09/cityu-physicists-discovered-special-transverse-sound-wave