I libri di testo di fisica ci dicono che ci sono due tipi di onde. Nelle onde trasversali come la luce, le vibrazioni sarebbero perpendicolari alla direzione di propagazione delle onde. Nelle onde longitudinali come il suono, le vibrazioni sarebbero parallele alla direzione della propagazione delle onde. Ma l'ultima scoperta degli scienziati di CityU cambia questa comprensione delle onde sonore.
Il dottor Wang stava esplorando se fosse possibile realizzare il suono trasversale, che richiede forza di taglio. Quindi ha maturato l'idea che la forza di taglio potrebbe sorgere se l'aria fosse confinata in piccoli risonatori con dimensioni molto più piccole della lunghezza d'onda. Il moto collettivo dei "meta-atomi" d'aria può così dare origine ad un suono trasversale su scala macroscopica.
Wang ha ingegnosamente progettato un tipo di materiale artificiale chiamato "metamateriale micropolare" per implementare questa idea, che appare come una complessa rete di risonatori. L'aria è confinata all'interno di questi risonatori reciprocamente connessi, formando i "meta-atomi". Il metamateriale è abbastanza duro in modo che solo l'aria all'interno possa vibrare e supportare la propagazione del suono. I calcoli teorici hanno mostrato che il moto collettivo di questi "meta-atomi" d'aria produce effettivamente la forza di taglio, che dà origine al suono trasversale con interazioni spin-orbita all'interno di questo metamateriale. Questa teoria è stata verificata da esperimenti condotti dal gruppo del Dr. Ma Guancong in HKBU.
Inoltre, il team di ricerca ha scoperto che l'aria si comporta come un materiale elastico all'interno del metamateriale micropolare e quindi supporta il suono trasversale sia con spin che con momento angolare orbitale. Usando questo metamateriale, hanno dimostrato per la prima volta due tipi di interazioni spin-orbita del suono. Uno è l'interazione momento-spazio spin-orbita che dà origine alla rifrazione negativa del suono trasversale, il che significa che il suono si piega nelle direzioni opposte quando passa attraverso un'interfaccia. Un altro è l'interazione spin-orbita dello spazio reale che genera vortici sonori sotto l'eccitazione del suono trasversale.
I risultati hanno dimostrato che il suono aereo, o suono nei fluidi, può essere un'onda trasversale e portare proprietà vettoriali complete come il momento angolare di spin come la luce. Fornisce nuove prospettive e funzionalità per le manipolazioni del suono oltre il grado di libertà scalare convenzionale.
"Questo è solo l'inizio. Prevediamo ulteriori esplorazioni delle proprietà del suono trasversale", ha affermato il dottor Wang. "In futuro, manipolando queste proprietà vettoriali extra, gli scienziati potrebbero essere in grado di codificare più dati nel suono trasversale per rompere il collo di bottiglia della comunicazione acustica tradizionale da parte di normali onde sonore. La scoperta potrebbe aprire una strada allo sviluppo di nuove applicazioni nelle comunicazioni acustiche, nel rilevamento acustico e nell'imaging", ha aggiunto.