Иллюстрация: G. J. Chaplain et al. / Physical Review Letters. Физики выдвинули концепцию устройства для генерации акустических волн, способных переносить орбитальный угловой момент. Устройство представляет собой трубку с пилообразным профилем на одном из концов. Исследователи продемонстрировали, что при погружении такой трубки в водную среду простой орбитальный момент будет передаваться волнам давления. Данный эффект может быть использован для передачи вращения объектам, удерживаемым акустическим пинцетом. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Letters и кратко освещены в Physics. Это открытие отсылает к аналогичному явлению, обнаруженному тридцать лет назад: кванты света также способны переносить орбитальный момент. Волновой фронт такого излучения имеет винтообразную структуру с фазовой сингулярностью в центре луча. Для его генерации экспериментаторы используют спиральные пластинки.
Данное открытие расширило возможности управления свойствами света и стало толчком к развитию физики оптических пинцетов.
Ученые не ограничились только светом. Вскоре стало понятно, что закрутить в теории можно любые свободно распространяющиеся волны. Через какое-то время физики сообщили, что им удалось закрутить волны электронной плотности, а сравнительно недавно они добрались и до нейтронов. При этом в литературе нет никаких данных о том, можно ли закрутить звук. Отчасти это связано с более сложным характером распространения упругих волн в конденсированных средах по сравнению с распространением света. Так, физики лишь недавно разобрались в непростой структуре собственного момента импульса (спина) упругих волн, отбрасывая при этом наличие у них орбитального момента.
Английские и итальянские исследователи при участии Грегори Чаплэйна (Gregory Chaplain) из Эксетерского университета решили сфокусироваться именно на этом вопросе. Они теоретически рассмотрели распространение волн упругости вдоль стенок полой трубы и показали, что им можно передать орбитальный момент с помощью акустического аналога спиральной пластинки. Оказалось, что если есть контакт между трубкой и жидкостью, то в последнюю может передаться закрученность, что было бы полезно при создании акустических пинцетов или иных микрофлюидных устройств.
Физики рассмотрели трубку из однородного линейного упругого материала, подчиняющегося динамическому уравнению Навье-Коши. Проведя каноническую процедуру построения тензора энергии-импульса в соответствии с теоремой Нётер, они вывели тензор Эшелби, с помощью которого получили выражение для потока орбитального момента по аналогии с тем, как это было сделано в оптике.
(a) Схематическое изображение алюминиевой трубки со спиральным элементом, погруженной в воду. (b) Нормированное поле сжатия в трубке, выраженное через след тензора деформации, и вызванное им поле давления в жидкости. G. J. Chaplain et al. / Physical Review Letters
Стенки труб, состоящие из упругого материала, могут содержать в себе три типа механических волн: продольные, крутильные и изгибные. Физики показали, что условия для возникновения орбитального момента, а именно наклоненный волновой фронт, напоминающий винтовую резьбу, могут быть выполнены для волн третьего типа. Для их возбуждения авторы предложили использовать описанную ими ранее спиральную фазовую трубку — упругий аналог оптической спиральной фазовой пластинки, — один из краев которой имеет пилообразный профиль. Вычисления, сделанные методом конечных элементов и методом спектральной коллокации, позволили получить дисперсионные соотношения и эффективность закручивания звуковых волн различными алюминиевыми спиральными трубками.
Физики также изучили возможность передачи волн с угловым моментом в жидкость. Для этого они рассмотрели алюминиевую трубу, частично погруженную в воду. В трубке с помощью спирально-фазового структурирования возбуждались изгибные волны со степенью закрутки, равной трем. Симуляция показала, что это создает в жидкости закрученные волны давления. Такие волны можно использовать для селективной доставки вращения в нужные точки. Ранее мы уже рассказывали, как с помощью создания акустических вихрей физики заставили левитировать вращающийся полистирольный шарик.
Автор: Марат Хамадеев
Источник: https://nplus1.ru/
