由真实空间中的自旋轨道相互作用产生的声音涡流。 图片来源香港城市大学

你能想象声音的传播方式和光一样吗？ 香港城市大学一个研究小组发现了一种新型声波：空中声波横向振动，并像光一样携带自旋和轨道角动量。 这些发现打破了科学家们之前对声波的看法，为开发新的声学通信、声学传感和成像应用开辟了道路。

这项研究由城大物理系助理教授王树波博士发起并共同领导，并与香港浸会大学（HKBU）和香港科技大学（HKUST）的科学家合作进行. 它发表在 Nature Communications 上 ，标题为“横向声音的自旋轨道相互作用”。

超越对声波的常规理解

物理课本告诉我们有两种波。 在像光这样的横波中，振动垂直于波的传播方向。 在像声音这样的纵波中，振动平行于波的传播方向。 但城大科学家的最新发现改变了这种对声波的理解。

元原子”和横向声音的插图

“如果你和一位物理学家谈论空气传播的横向声音，他/她会认为你是一个没有学过大学物理的外行，因为教科书说空气传播的声音（即在空气中传播的声音）是一种纵波，”王博士说： “虽然空气传播的声音在通常情况下是纵波，但我们首次证明在某些条件下它可以是横波。 我们研究了它的自旋轨道相互作用（一个重要的性质只存在于横波中），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。”

王博士解释说，空气或流体中没有剪切力是声音是纵波的原因。 他一直在探索是否有可能实现横向声音，这需要剪切力。 然后他想到如果空气被离散为“元原子”，即体积空气被限制在尺寸远小于波长的小谐振器中，则可能会产生合成剪切力。 这些空气“元原子”的集体运动可以在宏观尺度上产生横向声音。

“微极超材料”的构想与实现

他巧妙地设计了一种称为“微极超材料”的人造材料来实现这一想法，它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内，形成“元原子”。 超材料足够硬，因此只有内部的空气才能振动并支持声音传播。 理论计算表明，这些空气“超原子”的集体运动确实会产生剪切力，从而在这种超材料内部产生具有自旋轨道相互作用的横向声音。 这一理论得到了浸大马冠聪博士团队的实验验证。

由动量空间中的自旋轨道相互作用引起的负折射

此外，研究小组发现，空气在微极超材料内部表现得像一种弹性材料，因此支持具有自旋和轨道角动量的横向声音。 使用这种超材料，他们首次展示了两种声音的自旋轨道相互作用。 一种是动量空间自旋轨道相互作用，它引起横向声音的负折射，这意味着声音在通过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，它在横向声的激发下产生声涡。

研究结果表明，空气传播的声音或流体中的声音可以是横波，并具有与光相同的自旋角动量等全矢量特性。 它为超越传统标量自由度的声音处理提供了新的视角和功能。

香港城市大学王树波博士（右一）及其研究团队

这一发现可能为声学通信、声学传感和成像方面的新应用的发展开辟了一条途径

通过操纵这些额外的矢量特性，自旋与轨道角动量的相互作用通过其角动量实现了前所未有的声音处理、科学家们可能能够将更多数据编码到横向声音中，从而打破普通声波传统声学通信的瓶颈。