Des physiciens découvrent un nouveau type d’onde sonore remarquable

Sound Vortex
Vortex sonore

Génération de vortex sonore permise par l’interaction spin-orbite dans l’espace réel. Crédit : Wang, S., Zhang, G., Wang, X. et al. / Numéro DOI : 10.1038/s41467-021-26375-9

Pouvez-vous imaginer que le son voyage de la même manière que la lumière ? Une équipe de recherche de la City University of Hong Kong (CityU) a découvert un nouveau type d’onde sonore : l’onde sonore aérienne vibre transversalement et transporte à la fois un spin et un moment angulaire orbital comme la lumière. Les résultats ont brisé les croyances précédentes des scientifiques sur l’onde sonore, ouvrant la voie au développement de nouvelles applications dans les communications acoustiques, la détection acoustique et l’imagerie.

La recherche a été initiée et codirigée par le Dr Wang Shubo, professeur adjoint au département de physique de CityU, et menée en collaboration avec des scientifiques de la Hong Kong Baptist University (HKBU) et de la Hong Kong University of Science and Technology (HKUST) . Il a été publié dans Communication Nature, intitulé « Interactions spin-orbite du son transversal ».

Au-delà de la compréhension conventionnelle de l’onde sonore

Les manuels de physique nous disent qu’il existe deux types d’ondes. Dans les ondes transversales comme la lumière, les vibrations sont perpendiculaires à la direction de propagation des ondes. Dans les ondes longitudinales comme le son, les vibrations sont parallèles à la direction de propagation des ondes. Mais la dernière découverte des scientifiques de CityU change cette compréhension des ondes sonores.

Méta-atome et son transversal

Illustration du « méta-atome » et du son transverse. Crédit : Wang, S., Zhang, G., Wang, X. et al. / Numéro DOI : 10.1038/s41467-021-26375-9

« Si vous parlez à un physicien du son transversal aérien, il/elle penserait que vous êtes un profane sans formation universitaire en physique, car les manuels scolaires disent que le son aérien (c’est-à-dire le son se propageant dans l’air) est une onde longitudinale », a déclaré le Dr. Wang. « Alors que le bruit aérien est une onde longitudinale dans les cas habituels, nous avons démontré pour la première fois qu’il peut être une onde transversale dans certaines conditions. Et nous avons étudié ses interactions spin-orbite (une propriété importante n’existe que dans les ondes transversales), c’est-à-dire le couplage entre deux types de moment cinétique. La découverte offre de nouveaux degrés de liberté pour les manipulations sonores.

L’absence de force de cisaillement dans l’air, ou dans les fluides, est la raison pour laquelle le son est une onde longitudinale, a expliqué le Dr Wang. Il avait exploré s’il était possible de réaliser un son transversal, qui nécessite une force de cisaillement. Puis il a conçu l’idée qu’une force de cisaillement synthétique peut survenir si l’air est discrétisé en « méta-atomes », c’est-à-dire de l’air volumétrique confiné dans de petits résonateurs de taille bien inférieure à la longueur d’onde. Le mouvement collectif de ces « méta-atomes » d’air peut donner lieu à un son transversal à l’échelle macroscopique.

Conception et réalisation de « métamatériau micropolaire »

Il a ingénieusement conçu un type de matériau artificiel appelé « métamatériau micropolaire » pour mettre en œuvre cette idée, qui apparaît comme un réseau complexe de résonateurs. L’air est confiné à l’intérieur de ces résonateurs reliés entre eux, formant les « méta-atomes ». Le métamatériau est suffisamment dur pour que seul l’air à l’intérieur puisse vibrer et favoriser la propagation du son. Les calculs théoriques ont montré que le mouvement collectif de ces « méta-atomes » d’air produit bien la force de cisaillement, qui donne naissance au son transverse avec des interactions spin-orbite à l’intérieur de ce métamatériau. Cette théorie a été vérifiée par des expériences menées par le groupe du Dr Ma Guancong à HKBU.

Réfraction négative

Réfraction négative induite par l’interaction spin-orbite dans l’espace de quantité de mouvement. Crédit : Wang, S., Zhang, G., Wang, X. et al. / Numéro DOI : 10.1038/s41467-021-26375-9

De plus, l’équipe de recherche a découvert que l’air se comporte comme un matériau élastique à l’intérieur du métamatériau micropolaire et supporte ainsi le son transversal avec à la fois le spin et le moment angulaire orbital. En utilisant ce métamatériau, ils ont démontré pour la première fois deux types d’interactions spin-orbite du son. L’une est l’interaction spin-orbite impulsion-espace qui donne lieu à une réfraction négative du son transverse, ce qui signifie que le son se plie dans les directions opposées lorsqu’il traverse une interface. Un autre est l’interaction spin-orbite dans l’espace réel qui génère des tourbillons sonores sous l’excitation du son transverse.

Les résultats ont démontré que le son aérien, ou le son dans les fluides, peut être une onde transversale et porter des propriétés vectorielles complètes telles que le moment angulaire de spin, de la même manière que la lumière. Il offre de nouvelles perspectives et fonctionnalités pour les manipulations sonores au-delà du degré de liberté scalaire conventionnel.

L'équipe Wang Shubo

Dr Wang Shubo de la City University of Hong Kong (premier à partir de la droite) et son équipe de recherche. Mme Tong Qing (deuxième à partir de la gauche) est co-auteur de l’article. Crédit : Université de la ville de Hong Kong

«Ce n’est qu’un précurseur. Nous prévoyons d’autres explorations des propriétés intrigantes du son transversal », a déclaré le Dr Wang. “À l’avenir, en manipulant ces propriétés vectorielles supplémentaires, les scientifiques pourraient être en mesure d’encoder plus de données dans le son transversal pour briser le goulot d’étranglement de la communication acoustique traditionnelle par les ondes sonores normales.”

L’interaction du spin avec le moment angulaire orbital permet des manipulations sonores sans précédent via son moment angulaire. “La découverte peut ouvrir une voie au développement de nouvelles applications dans les communications acoustiques, la détection acoustique et l’imagerie”, a-t-il ajouté.

Référence : « Spin-orbit interactions of transverse sound » par Shubo Wang, Guanqing Zhang, Xulong Wang, Qing Tong, Jensen Li et Guancong Ma, 21 octobre 2021, Communication Nature.
DOI : 10.1038/s41467-021-26375-9

Le Dr Wang est le premier auteur et l’auteur correspondant de l’article. Le Dr Ma est un autre auteur correspondant. Les collaborateurs incluent le professeur Li Jensen de l’Université des sciences et technologies de Hong Kong, Mme Tong Qing, doctorante de CityU, et d’autres chercheurs de HKBU.

Le travail a été soutenu par le Research Grants Council de Hong Kong et la National Natural Science Foundation of China.

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