Descobertas ondas de som transversais, similares às ondas de luz

Redação do Site Inovação Tecnológica - 09/12/2021

Os meta-átomos (esquerda) e as ondas transversais de som que eles produzem.
[Imagem: Shubo Wang et al. - 10.1038/s41467-021-26375-9]

Onda de som transversal

Se foi uma surpresa para os cientistas a descoberta do calor se propagando em ondas, ondas de som se propagando como luz é algo que pode ter um impacto ainda maior.

Shubo Wang e seus colegas da Universidade Cidade de Hong Kong (CityU) descobriram um novo tipo de onda sonora que vibra transversalmente no ar e, se isso não fosse suficientemente radical, também apresenta um spin e um momento angular orbital, assim como as ondas de luz.

Esta descoberta abala o que os cientistas pensavam saber sobre as ondas sonoras.

Ainda é cedo para dizer, mas dá para arriscar que esse novo tipo de onda sonora abre caminhos para o desenvolvimento de novas aplicações em comunicações, sensoriamento e geração de imagens, entre muitas outras.

"Nós antecipamos mais explorações das propriedades intrigantes do som transversal," disse o professor Wang. "No futuro, ao manipular essas propriedades vetoriais extras, os cientistas poderão ser capazes de codificar mais dados no som transversal para quebrar o gargalo da comunicação acústica tradicional por ondas sonoras normais."

Tipos de onda

Os livros de física ensinam que existem dois tipos de ondas: Nas ondas transversais, como a luz, as vibrações são perpendiculares à direção de propagação das ondas; nas ondas longitudinais, como o som, as vibrações são paralelas à direção de propagação das ondas.

Mas o trabalho de Wang e seus colegas muda essa compreensão das ondas sonoras.

"Embora o som aerotransportado (ou seja, o som propagando-se no ar) seja uma onda longitudinal em casos usuais, demonstramos pela primeira vez que ele pode ser uma onda transversal sob certas condições. E nós investigamos suas interações spin-órbita, ou seja, o acoplamento entre dois tipos de momento angular. A descoberta fornece novos graus de liberdade para manipulações do som," explicou o pesquisador.

A razão pela qual o som é uma onda longitudinal "nas condições usuais" é a ausência de força de cisalhamento no ar, ou, de forma mais geral, nos fluidos. Os pesquisadores então idealizaram um modo onde eles pudessem criar essa força de cisalhamento de maneira artificial, mas contínua.

Protótipo do metamaterial construído pela equipe, formado por 44 meta-átomos.
[Imagem: Shubo Wang et al. - 10.1038/s41467-021-26375-9]

Meta-átomos de som

Os metamateriais ofereceram a solução perfeita para sair das condições usuais, uma vez que são materiais artificiais projetados para lidar com ondas de qualquer tipo, e essa manipulação pode ser configurada com precisão alterando-se os elementos que formam o material. Esses elementos, conhecidos como "nanoantenas" quando lidam com ondas de frequências mais altas, como as da luz, são mais genericamente compreendidos como "meta-átomos", já que são os elementos fundamentais dessa "meta-matéria".

O metamaterial projetado pela equipe forma meta-átomos com as próprias ondas de som: O ar já contendo o som é "discretizado" (decomposto em unidades distintas) em meta-átomos, isto é, em porções de ar volumétrico confinadas em pequenos ressonadores, cada um com um tamanho menor do que o comprimento de onda do som original, com o metamaterial apresentando polaridade na escala micro - por isso os pesquisadores o chamam de micropolar, como outro que recentemente se mostrou capaz de sentir, decidir e agir.

O movimento coletivo desses meta-átomos do ar cria as forças de cisalhamento que dão origem a um som transversal na escala macroscópica.

Além disso, a equipe descobriu que o ar se comporta como um material elástico dentro do metamaterial micropolar e, portanto, suporta o som transversal com spin e momento angular orbital.

O metamaterial pega ondas comuns de som (longitudinais) e as transforma em ondas transversais, preservando a sonoridade.
[Imagem: Shubo Wang et al. - 10.1038/s41467-021-26375-9]

Propriedades vetoriais do som

Em seus experimentos, os pesquisadores demonstraram dois tipos de interações spin-órbita de som pela primeira vez. A primeira é a interação spin-órbita do espaço de momento (ou momento-espaço) que dá origem à refração negativa do som transversal, o que significa que o som se curva em direções opostas ao que faz naturalmente ao passar por uma interface. A segunda é a interação spin-órbita no espaço real, que gera vórtices sonoros sob a excitação do som transversal.

Essas propriedades vetoriais das ondas de som abrem novas perspectivas e funcionalidades para manipulações do som, além do grau de liberdade escalar convencional.

"Esta descoberta pode abrir um caminho para o desenvolvimento de novas aplicações em comunicações acústicas, sensoriamento acústico e imagens," finalizou Wang, neste último caso referindo a aplicações como as imagens de ultrassom.

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