Una teoria semplice ma accurata di come il suono interagisce con le piccole particelle è stata sviluppata dai fisici teorici del RIKEN. Questo progresso aiuterà a migliorare la manipolazione delle microparticelle da parte del suono.

La luce laser è ampiamente utilizzata per spostare e ruotare piccole particelle. Questa capacità si basa sulla conoscenza delle forze e dei momenti che la luce genera sulle piccole particelle.

In un modo simile, le onde sonore possono essere utilizzate per manipolare piccole particelle, ma fino ad ora non esisteva una teoria generale chiara e concisa che descrivesse come le onde sonore non uniformi generano forze e momenti su piccole particelle.

Ora, considerando analogie con la luce, Ivan Toftul, Konstantin Bliokh e Franco Nori del RIKEN Theoretical Quantum Physics Laboratory ei loro collaboratori hanno derivato semplici espressioni analitiche per la forza e la coppia generate su una piccola particella sferica da un generico campo di onde sonore di una singola frequenza. Queste espressioni rivelano il legame diretto tra la forza di dispersione e la densità di momento del campo dell'onda sonora e anche quello tra la coppia e la densità del momento angolare di spin del campo d'onda.

"Tali corrispondenze sono ormai ben consolidate in ottica, ma era piuttosto vago in acustica e non c'era espressione teorica per la coppia su una piccola particella in un generico campo di onde sonore, " spiega Bliokh. "Quindi i nostri obiettivi erano colmare queste importanti lacune nella teoria dell'interazione tra onde sonore e materia".

L'analisi del team ha rivelato connessioni inaspettate tra luce e suono. "Le onde sonore sono generalmente considerate come semplici campi di onde scalari che mancano di proprietà vettoriali come polarizzazione e spin, ma i nostri risultati mostrano che i campi generici di onde sonore in realtà hanno tanti gradi di libertà per le micromanipolazioni quanti campi ottici, " commenta Bliokh. "Penso che questa analogia mostri che i campi acustici possono offrire molte più possibilità di quanto fosse tradizionalmente considerato prima." Ad esempio, la teoria del team mostra che una particella in un campo evanescente acustico, il campo non uniforme generato vicino alle superfici, sperimenta forze e coppie molto simili a quelle in un campo evanescente ottico.

Così, l'analisi del team stabilisce una corrispondenza uno a uno tra le forze ottiche e le coppie ben studiate utilizzate per la micromanipolazione e le loro controparti acustiche. "Ciò consentirà il facile trasferimento di conoscenze e scoperte tra sistemi ottici e acustici, " osserva Bliokh. "Stiamo ora rivisitando l'approccio fondamentale della teoria dei campi all'acustica e stiamo esaminando le proprietà vettoriali dei campi acustici recentemente rivelate".