فیزیکدانان در کشفی شگفت‌آور نوع جدیدی از امواج صوتی شناسایی کردند

امیر نیک‌رو

۲۳ آذر ۱۴۰۰ | ۰۵:۵۱ زمان مورد نیاز برای مطالعه: ۴ دقیقه

گردابه‌های ایجاد شده توسط برهم‌کنش اسپین-مدار

دانشمندان با ایجاد یک فیلتر مخصوص از فراماده، نوع شگفت‌آور جدیدی از امواج صوتی را کشف کردند که با ارتعاشات عرضی می‌تواند کاربردهای گسترده‌ای در ارتباطات و سنجش صوتی داشته باشد.

آیا می‌توانید تصور کنید که صدا هم مانند نور حرکت کند؟ به‌تازگی یک تیم تحقیقاتی در دانشگاه سیتی هنگ کنگ (CityU) نوع جدیدی از موج صوتی را کشف کرده‌اند که در هوا به‌صورت عرضی ارتعاش می‌کند و مانند نور حرکت زاویه‌ای چرخشی و مداری را مانند نور حمل می‌کند. یافته‌ها‌ی جدید، باورهای قبلی دانشمندان درباره‌‌ی امواج صوتی را کنار می‌زند و راهی را برای توسعه‌ی کاربردهای جدید در ارتباطات صوتی، سنجش صوتی و تصویربرداری باز می‌کند.

این تحقیق که نتایج آن با عنوان «برهم‌کنش‌های اسپین-مدار صدای عرضی» در نشریه‌ی «نیچر کامیونیکیشنز» (Nature Communications) منتشر شده است، توسط دکتر «وانگ شوبو» (Dr. Wang Shubo) استادیار دانشکده‌ی فیزیک CityU آغاز شد و با همکاری دانشمندانی از دانشگاه باپتیست هنگ کنگ (HKBU) و دانشگاه علم و فناوری هنگ کنگ (HKUST) ادامه یافت.

فراتر از درک همیشگی موج صوتی

کتاب‌های درسی فیزیک به ما می‌گویند که دو نوع موج وجود دارد. در امواج عرضی مانند نور، ارتعاشات عمود بر جهت انتشار موج و در امواج طولی مانند صوت، ارتعاشات موازی با جهت انتشار موج است. اما جدیدترین یافته‌ی دانشمندان سیتی هنگ کنگ، این درک همیشگی از امواج صوتی را تغییر می‌دهد.

طرحی گرافیکی از متا-اتم و امواج صوتی عرضی
Credit: Wang, S., Zhang, G., Wang, X. et al.

شوبو گفت: «اگر با یک فیزیکدان درباره‌ی امواج صوتی عرضی صحبت کنید، او فکر می‌کند که شما فردی بدون آموزش فیزیک دانشگاهی هستید، زیرا کتاب‌های درسی بیان می‌کنند که صدای منتشر شده در هوا، یک موج طولی است.»

او افزود: «در حالی که صدای منتشر شده در هوا یک موج طولی است، ما برای نخستین بار نشان دادیم تحت شرایط خاصی می‌تواند یک موج عرضی داشته باشد. ما برهم‌کنش‌های اسپین-مدار آن، یعنی جفت شدن دو نوع تکانه‌ی زاویه‌ای را که یک ویژگی مهم فقط در امواج عرضی است، بررسی کردیم. این یافته درجات آزادی جدیدی را برای دستکاری صدا فراهم می‌کند.»

به گفته‌ی وانگ، نبود نیروی برشی در هوا و سیالات دیگر، دلیل طولی بودن یک موج صوتی است. او به دنبال شناسایی امواج عرضی صوت بود که نیاز به وجود نیروی برشی دارند. سپس این ایده را تصور کرد که در صورت گسسته شدن هوا به «فرا-اتم‌ها» (Meta-Atoms) نیروی برشی مصنوعی ایجاد شود. در این شرایط هوای حجمی در تشدیدگرهای ریز با اندازه‌ای بسیار کوچک‌تر از طول موج محصور می‌شود. حرکت جمعی این متا-اتم‌های هوا می‌تواند باعث ایجاد موج صوتی عرضی در مقیاس ماکروسکوپی شود.

معلق نگه داشتن اجسام با استفاده از امواج صوتی

مفهوم و تحقق فراماده‌ی ریزقطبی

پژوهشگران به شیوه‌ای مبتکرانه یک نوع ماده‌ی مصنوعی با نام «فراماده‌ی ریزقطبی» (Micropolar Metamaterial) را برای پیاده‌سازی این ایده طراحی کردند که شبیه شبکه‌ی پپیچیده‌ای از تشدیدگرها به‌نظر می‌رسد. هوا داخل این تشدیدگرهای متصل به هم محبوس می‌شود و متا-اتم را تشکیل می‌دهد.

انکسار منفی القا شده توسط برهم‌کنش تکانه‌ی فضایی

شکست منفی القا شده توسط برهم‌کنش تکانه‌ی فضایی
Credit: Wang, S., Zhang, G., Wang, X. et al.

فراماده به اندازه‌ی کافی سخت است و هوای داخل آن فقط می‌تواند لرزش داشته باشد و از پخش صوت پشتیبانی کند. محاسبات تئوری نشان داد که در واقع حرکت جمعی این متا-اتم‌های هوا نیروی برشی لازم را ایجاد می‌کند و باعث ایجاد صوت عرضی با برهم‌کنش اسپین-مداری درون این فراماده می‌شود. این نظریه سپس با آزمایش‌هایی که توسط گروه دکتر «ما گوانکونگ» (Dr. Ma Guancong) در HKBU صورت گرفت، تأیید شد.

علاوه بر این تیم تحقیقاتی کشف کردند که هوا در داخل فراماده‌ی ریزقطبی مانند یک ماده‌ی الاستیک رفتار می‌کند و بنابراین از صوت عرضی با تکانه‌ی زاویه‌ای اسپینی و مداری پشتیبانی می‌کند. بدین ترتیب با استفاده از این فراماده، آن‌ها برای نخستین بار دو نوع برهم‌کنش اسپین-مدار را در صوت نشان دادند.

یکی بر هم‌کنش تکانه-فضای اسپین-مدار است که باعث رشد شکست منفی موج عرضی صوت می‌شود؛ به این معنی که هنگام عبور از یک رابط، صدا در جهت مخالف خم می‌شود. دیگری برهم‌کنش اسپین-مدار فضای واقعی است که تحت تحریک صوت عرضی گردابه‌های صوتی ایجاد می‌کند.

یافته‌های دانشمندان نشان داد که صدای معلق در هوا یا دیگر سیالات، می‌تواند یک موج عرضی باشد و مانند نور، ویژگی‌های برداری کاملی مانند تکانه‌ی زاویه‌ای چرخشی داشته باشد. این کشف مهم، نگاه و عملکردهای تازه‌ای را برای دستکاری صوت فراتر از درجه‌ی آزادی اسکالر معمولی ارائه می‌دهد.

پژوهشگران مطالعه‌ی صوت عرضی؛ دکتر وانگ در سمت راست
Credit: City University of Hong Kong

دکتر وانگ گفت: «این یک کشف پیشگامانه است و ما پیش‌بینی می‌کنیم کاوش بیشتری درباره‌ی ویژگی‌های جذاب صوت عرضی انجام شود. ممکن است دانشمندان در آینده با دستکاری این ویژگی‌های برداری اضافی، بتوانند داده‌های بیشتری را در صدای عرضی رمزگذاری کنند تا از ارتباطات سنتی توسط امواج صوتی فراتر بروند.»

برهم‌کنش اسپین با تکانه‌ی زاویه‌ای مداری، دستکاری‌های بی‌سابقه‌ی صوت را توسط تکانه‌ی زاویه‌ای آن امکان‌پذیر می‌کند و به گفته‌ی وانگ این کشف احتمالا مسیری برای توسعه‌ی کاربردهای جدید در ارتباطات صوتی، سنجش صوتی و تصویربرداری باز خواهد کرد.