فیزیکدانان در کشفی شگفت آور نوع جدیدی از امواج صوتی شناسایی کردند - وبلاگ ماریانا

به گزارش وبلاگ ماریانا، دانشمندان با ایجاد یک فیلتر مخصوص از فراماده، نوع شگفت آور جدیدی از امواج صوتی را کشف کردند که با ارتعاشات عرضی می تواند کاربردهای گسترده ای در ارتباطات و سنجش صوتی داشته باشد.

آیا می توانید تصور کنید که صدا هم مانند نور حرکت کند؟ به تازگی یک تیم تحقیقاتی در دانشگاه سیتی هنگ کنگ (CityU) نوع تازهی از موج صوتی را کشف نموده اند که در هوا به صورت عرضی ارتعاش می نماید و مانند نور حرکت زاویه ای چرخشی و مداری را مانند نور حمل می نماید. یافته ها تازه، باورهای قبلی دانشمندان درباره ی امواج صوتی را کنار می زند و راهی را برای توسعه کاربردهای تازه در ارتباطات صوتی، سنجش صوتی و تصویربرداری باز می نماید.

این تحقیق که نتایج آن با عنوان برهم کنش های اسپین-مدار صدای عرضی در نشریه نیچر کامیونیکیشنز (Nature Communications) منتشر شده است، به وسیله دکتر وانگ شوبو (Dr. Wang Shubo) استادیار دانشکده فیزیک CityU شروع 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

کتاب های درسی فیزیک به ما می گویند 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 تازهترین یافته دانشمندان سیتی هنگ کنگ، این درک همیشگی از امواج صوتی را تغییر می دهد.

شوبو گفت: اگر با یک فیزیکدان درباره امواج صوتی عرضی صحبت کنید، او فکر می نماید که شما فردی بدون آموزش فیزیک دانشگاهی هستید، زیرا کتاب های درسی بیان می نمایند که صدای منتشر شده در هوا، یک موج طولی است.

او اضافه کرد: در حالی که صدای منتشر شده در هوا یک موج طولی است، ما برای نخستین بار نشان دادیم تحت شرایط خاصی می تواند یک موج عرضی داشته باشد. ما برهم کنش های اسپین-مدار آن، یعنی جفت شدن دو نوع تکانه زاویه ای را که یک ویژگی مهم فقط در امواج عرضی است، آنالیز کردیم. این یافته درجات آزادی تازهی را برای دستکاری صدا فراهم می نماید.

به گفته وانگ، نبود نیروی برشی در هوا و سیالات دیگر، علت طولی بودن یک موج صوتی است. او در پی شناسایی امواج عرضی صوت بود که احتیاج به وجود نیروی برشی دارند. سپس این ایده را تصور کرد که در صورت گسسته شدن هوا به فرا-اتم ها (Meta-Atoms) نیروی برشی مصنوعی ایجاد گردد. در این شرایط هوای حجمی در تشدیدگرهای ریز با میزان ای بسیار کوچک تر از طول موج محصور می گردد. حرکت جمعی این متا-اتم های هوا می تواند باعث ایجاد موج صوتی عرضی در مقیاس ماکروسکوپی گردد.

مفهوم و تحقق فراماده ریزقطبی

پژوهشگران به شیوه ای مبتکرانه یک نوع ماده مصنوعی با نام فراماده ریزقطبی (Micropolar Metamaterial) را برای پیاده سازی این ایده طراحی کردند که شبیه شبکه پپیچیده ای از تشدیدگرها به نظر می رسد. هوا داخل این تشدیدگرهای متصل به هم محبوس می گردد و متا-اتم را تشکیل می دهد.

فراماده به میزان کافی سخت است و هوای داخل آن فقط می تواند لرزش داشته باشد و از پخش صوت پشتیبانی کند. محاسبات تئوری نشان داد که در واقع حرکت جمعی این متا-اتم های هوا نیروی برشی لازم را ایجاد می نماید و باعث ایجاد صوت عرضی با برهم کنش اسپین-مداری درون این فراماده می گردد. این نظریه سپس با آزمایش هایی که به وسیله گروه دکتر ما گوانکونگ (Dr. Ma Guancong) در HKBU صورت گرفت، تأیید شد.

علاوه بر این تیم تحقیقاتی کشف کردند که هوا در داخل فراماده ریزقطبی مانند یک ماده الاستیک رفتار می نماید و بنابراین از صوت عرضی با تکانه زاویه ای اسپینی و مداری پشتیبانی می نماید. بدین ترتیب با استفاده از این فراماده، آن ها برای نخستین بار دو نوع برهم کنش اسپین-مدار را در صوت نشان دادند.

یکی بر هم کنش تکانه-فضای اسپین-مدار است که باعث رشد شکست منفی موج عرضی صوت می گردد؛ به این معنی که هنگام عبور از یک رابط، صدا در جهت مخالف خم می گردد. دیگری برهم کنش اسپین-مدار فضای واقعی است که تحت تحریک صوت عرضی گردابه های صوتی ایجاد می نماید.

یافته های دانشمندان نشان داد که صدای معلق در هوا یا دیگر سیالات، می تواند یک موج عرضی باشد و مانند نور، ویژگی های برداری کاملی مانند تکانه زاویه ای چرخشی داشته باشد. این کشف مهم، نگاه و عملنمودهای تازه ای را برای دستکاری صوت فراتر از درجه آزادی اسکالر معمولی ارائه می دهد.

دکتر وانگ گفت: این یک کشف پیشگامانه است و ما پیش بینی می کنیم کاوش بیشتری درباره ویژگی های مجذوب کننده صوت عرضی انجام گردد. ممکن است دانشمندان در آینده با دستکاری این ویژگی های برداری اضافی، بتوانند داده های بیشتری را در صدای عرضی رمزگذاری نمایند تا از ارتباطات سنتی به وسیله امواج صوتی فراتر بروند.

برهم کنش اسپین با تکانه زاویه ای مداری، دستکاری های بی سابقه صوت را به وسیله تکانه زاویه ای آن امکان پذیر می نماید و به گفته وانگ این کشف احتمالا مسیری برای توسعه کاربردهای تازه در ارتباطات صوتی، سنجش صوتی و تصویربرداری باز خواهد نمود.

عکس کاور: طرحی گرافیکی از ایجاد امواج صوتی عرضی

Credit: Credit: Wang, S., Zhang, G., Wang, X. et al.

منبع: SciTechDaily