Een eenvoudige maar nauwkeurige theorie over hoe geluid interageert met kleine deeltjes is ontwikkeld door theoretische natuurkundigen van RIKEN. Deze vooruitgang zal helpen om de manipulatie van microdeeltjes door geluid te verbeteren.

Laserlicht wordt veel gebruikt om kleine deeltjes te verplaatsen en te roteren. Dit vermogen is gebaseerd op kennis van de krachten en koppels die licht genereert op kleine deeltjes.

Op een soortgelijke manier, geluidsgolven kunnen worden gebruikt om kleine deeltjes te manipuleren, maar tot nu toe was er geen duidelijke en beknopte algemene theorie die beschrijft hoe niet-uniforme geluidsgolven krachten en koppels genereren op kleine deeltjes.

Nutsvoorzieningen, door analogieën met licht te beschouwen, Ivan Toftul, Konstantin Bliokh en Franco Nori van het RIKEN Theoretical Quantum Physics Laboratory en hun medewerkers hebben eenvoudige analytische uitdrukkingen afgeleid voor de kracht en koppel die op een klein bolvormig deeltje worden gegenereerd door een generiek geluidsgolfveld met een enkele frequentie. Deze uitdrukkingen onthullen het directe verband tussen de verstrooiingskracht en de impulsdichtheid van het geluidsgolfveld en ook die tussen het koppel en de impulsimpulsdichtheid van het golfveld.

"Dergelijke overeenkomsten zijn nu goed ingeburgerd in de optica, maar het was nogal vaag in akoestiek en er was geen theoretische uitdrukking voor het koppel op een klein deeltje in een generiek geluidsgolfveld, " legt Bliokh uit. "Dus onze doelen waren om deze belangrijke gaten in de theorie voor de interactie tussen geluidsgolven en materie op te vullen."

De analyse van het team bracht onverwachte verbanden tussen licht en geluid aan het licht. "Geluidsgolven worden meestal beschouwd als eenvoudige scalaire golfvelden die geen vectoreigenschappen hebben, zoals polarisatie en spin, maar onze bevindingen laten zien dat generieke geluidsgolfvelden in feite evenveel vrijheidsgraden hebben voor micromanipulaties als optische velden, " merkt Bliokh op. "Ik denk dat deze analogie aantoont dat akoestische velden veel meer mogelijkheden kunnen bieden dan traditioneel werd gedacht." de theorie van het team laat zien dat een deeltje in een akoestisch verdwijnend veld - het niet-uniforme veld dat nabij oppervlakken wordt gegenereerd - krachten en koppel ervaart die sterk lijken op die in een optisch verdwijnend veld.

Dus, de analyse van het team stelt een één-op-één overeenkomst vast tussen de goed bestudeerde optische krachten en koppels die worden gebruikt voor micromanipulatie en hun akoestische tegenhangers. "Dit zal de gemakkelijke overdracht van kennis en bevindingen tussen optische en akoestische systemen mogelijk maken, " merkt Bliokh op. "We herzien nu de fundamentele veldtheoriebenadering van akoestiek en onderzoeken de recentelijk onthulde vectoreigenschappen van akoestische velden."