Физики предложили концепцию устройства для создания акустических волн, переносящих орбитальный угловой момент. Устройство представляет собой трубку, один из концов которой имеет пилообразный профиль. Ученые показали, что при погружении такой трубки в воду, орбитальный момент будет передаваться волнам давления в жидкости. Это
можно использовать для передачи вращения объектам, захваченным акустическим
пинцетом. Исследование опубликовано в Physical Review Letters, кратко о нем пишет Physics.

Тридцать лет назад физики выяснили, что кванты света могут переносить орбитальный момент. Волновой фронт такого излучения имеет геликоидальный (то есть, винтообразный) вид с фазовой сингулярностью в середине луча, а для его создания экспериментаторы используют спиральные пластинки. Это открытие добавило новое измерение в управлении свойствами света и дало импульс 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.

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.

Марат Хамадеев