En enkel men korrekt teori om hur ljud interagerar med små partiklar har utvecklats av teoretiska fysiker på RIKEN. Detta framsteg kommer att bidra till att förbättra manipuleringen av mikropartiklar genom ljud.

Laserljus används ofta för att flytta och rotera små partiklar. Denna förmåga bygger på kunskap om de krafter och vridmoment som ljus genererar på små partiklar.

På ett liknande sätt, ljudvågor kan användas för att manipulera små partiklar, men fram till nu fanns det ingen tydlig och koncis allmän teori som beskriver hur olikformiga ljudvågor genererar krafter och vridmoment på små partiklar.

Nu, genom att överväga analogier med ljus, Ivan Toftul, Konstantin Bliokh och Franco Nori från RIKEN Theoretical Quantum Physics Laboratory och deras medarbetare har härlett enkla analytiska uttryck för kraften och vridmomentet som genereras på en liten sfärisk partikel av ett generiskt ljudvågsfält med en enda frekvens. Dessa uttryck avslöjar den direkta kopplingen mellan spridningskraften och ljudvågsfältets momentumdensitet och även den mellan vridmoment och vågfältets spinnvinkelmomentdensitet.

"Sådana korrespondenser är nu väl etablerade inom optik, men det var ganska vagt i akustik och det fanns inget teoretiskt uttryck för vridmomentet på en liten partikel i ett generiskt ljudvågsfält, " förklarar Bliokh. "Så våra mål var att fylla dessa viktiga luckor i teorin för samspelet mellan ljudvågor och materia."

Teamets analys avslöjade oväntade samband mellan ljus och ljud. "Ljudvågor betraktas vanligtvis som enkla skalära vågfält som saknar vektoregenskaper som polarisation och spinn, men våra resultat visar att generiska ljudvågsfält faktiskt har lika många frihetsgrader för mikromanipulationer som optiska fält, " kommenterar Bliokh. "Jag tror att den här analogin visar att akustiska fält kan erbjuda många fler möjligheter än vad man traditionellt sett tidigare." Teamets teori visar att en partikel i ett akustiskt evanescent fält – det olikformiga fält som genereras nära ytor – upplever krafter och vridmoment som är mycket lika de i ett optiskt evanescent fält.

Således, teamets analys etablerar en en-till-en-överensstämmelse mellan de väl studerade optiska krafterna och vridmomenten som används för mikromanipulation och deras akustiska motsvarigheter. "Detta kommer att möjliggöra enkel överföring av kunskap och fynd mellan optiska och akustiska system, ", konstaterar Bliokh. "Vi ser nu över den grundläggande fältteoretiska synen på akustik och undersöker de nyligen avslöjade vektoregenskaperna hos akustiska fält."