物理学家发现一种引人注目的新型声波

这项研究由香港城市大学物理系助理教授王树波（音译）博士发起并共同领导，并与香港浸会大学和香港科技大学的科学家们合作进行。该研究发表在《自然通讯》上。

超越对声波的传统理解

物理学教科书告诉我们，有两种波。在像光这样的横波中，振动是垂直于波的传播方向的。在像声音这样的纵波中，振动与波的传播方向平行。但香港城市大学科学家们的最新发现改变了人们对声波的这种认识。

“如果你和物理学家谈论空气中的横向声音，他/她会认为你是一个没有受过大学物理学训练的门外汉，因为教科书上说空气中的声音（即在空气中传播的声音）是一种纵波，”王树波博士说。“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。而且我们研究了它的自旋-轨道相互作用（一个只存在于横波中的重要属性），即两种角动量之间的耦合。这一发现为声音操作提供了新的自由度。”

王树波博士解释说，空气或流体中没有剪切力，这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，如果将空气离散成"元原子"，即限制在小型谐振器中的体积空气，其大小远远小于波长，就可能产生合成剪切力。这些空气"元原子"的集体运动可以产生宏观尺度上的横向声音。

"微极超材料"的构想和实现

他巧妙地设计了一种被称为"微极超材料"的人工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"。超材料足够坚硬，所以只有里面的空气可以振动并支持声音的传播。理论计算表明，这些空气"元原子"的集体运动确实产生了剪切力，从而在这个超材料内部产生了具有自旋-轨道相互作用的横向声音。浸会大学马冠聪博士的研究小组通过实验验证了这一理论。

此外，研究小组发现，空气在微极超材料内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。利用这种超材料，他们首次展示了两种类型的声音自旋或轨道相互作用。一种是动量空间自旋轨道相互作用，它引起了横向声音的负折射，意味着声音在通过界面时向相反方向弯曲。另一个是实空间自旋-轨道相互作用，在横向声音的激励下产生声音涡流。