Физики передали закрученность по трубке в воду

Физики из Англии и Италии проверили передачу закрученности от механических изгибных волн в трубке в волны давления в жидкости. Для создания волн они формировали в алюминиевой трубе пилообразный профиль. Ученые показали, что изготовленное ими устройство может заменить целый массив динамиков, с помощью которого обычно создают закрученный звук. Исследование опубликовано в Communications Physics.

Волны с ненулевым орбитальным моментом (закрученные волны) стали объектом пристального исследования ученых в последние тридцать лет. Первоначально они были обнаружены для света и нашли применение в оптических пинцетах, где закрученные фотоны могут передавать плененному объекту вращение. Сейчас такие состояния обнаружены и у волн материи, звуковых и спиновых волн.

Состоянию с определенным орбитальным моментом соответствует винтообразный фронт волновой функции частицы, а значение этой наблюдаемой связано с тем, сколько раз фаза совершает полный оборот при одном обороте азимутального угла. Другими словами, чем сильнее наклонен фронт, тем больше орбитальный момент волны. Наклоненным фронтами обладают и другие волновые моды, например бесселевы пучки высоких порядков или целые вихревые структуры, в которых удается увидеть дробный орбитальный момент.

Перенос идеи о закрученных волнах в твердое тело, а именно к механическим волнам упругости, произошел совсем недавно. В феврале этого года группа физиков из Англии и Италии под руководством Грегори Чаплэйна (‪Gregory Chaplain) из Эксетерского университета предложила концепцию устройства, позволяющего генерировать такие волны, в виде полой трубки, один из концов которой имеет пилообразный профиль. Расчеты показали, что при помещении такой трубки в воду, закрученные волны упругости будут передавать орбитальный момент в волны давления жидкости. Теперь же физики подтвердили свои расчеты экспериментально.

Для своего эксперимента авторы взяли алюминиевую трубу длиной 90 сантиметров с внутренним и внешним диаметрами равными четырем и шести сантиметрам соответственно. При помощи фрезерного станка с ЧПУ физики сформировали в одной из частей трубы пилообразный профиль глубиной шесть миллиметров, состоящий из трех зубьев длиной 63 миллиметра. Такой профиль был выбран для преобразования продольной осесимметричной акустической моды второго порядка с частотой 62 килогерца в такую же изгибную моду, но с орбитальным моментом, равным трем.

Открытый конец трубы ученые помещали в воду на глубину 20 миллиметров, а противоположный конец закрывали пьезоэлектрическим диском, который возбуждал в трубе механические волны. Физики соорудили систему, позволяющую перемещать в трех измерениях под трубкой гидрофон, записывающий карту распределения давления и фазы во все моменты времени. Авторы подкрепили эксперимент симуляциями методом конечных элементов.

Сравнивая обе картины, физики получили качественное согласие. Как и предсказывает теория волны давления в жидкости обладают топологическим зарядом, равным трем, однако центральная сингулярность разбивается на три однозарядных вихря. Реальная волна, однако, была не такой симметричной, как предсказанная. Авторы связывают это с неидеальностью процесса фрезеровки, вызванными конечным размеров головки станка, а также эффектами вязкости и затухания на высоких частотах.

Ученые считают, что полученное устройство может быть полезно при дефектоскопии труб, поскольку закрученные волны чувствительны к осевым трещинам. Кроме того, закрученность звука в жидкости может стать дополнительным инструментом в акустических пинцетах подобно тому, как это происходит в оптике. Традиционный способ создания закрученного звука основан на использовании массива динамиков, расположенных вдоль кольца и излучающих согласованно. Авторы численно показали, что их устройство создает эквивалентные звуковые волны давления.

Совсем недавно мы рассказывали про то, как физики придумали способ, чтобы наделить орбитальным моментом релятивистские частицы.