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Ondas sonoras que manipulan partículas

Un análisis teórico indica que las ondas sonoras pueden manipular partículas de forma análoga a los haces de luz. Los físicos teóricos de RIKEN han desarrollado una teoría simple pero precisa de cómo el sonido interactúa con partículas pequeñas. Este avance ayudará a mejorar la manipulación de las micropartículas por el sonido.

La luz láser se usa ampliamente para mover y rotar partículas pequeñas. Una capacidad que se basa en el conocimiento de las fuerzas y pares de torsión que genera la luz en las partículas pequeñas.

De manera similar, las ondas de sonido se pueden usar para manipular partículas pequeñas, pero hasta ahora no había una teoría general clara y concisa que describiera cómo las ondas de sonido no uniformes generan fuerzas y pares en partículas pequeñas.

Los rayos láser se utilizan ampliamente para manipular partículas pequeñas. Un nuevo análisis de ondas sonoras realizado por físicos de RIKEN revela vínculos inesperados entre la manipulación de partículas ópticas y su contraparte acústica.
© WLADIMIR BULGAR / CIENCE PHOTO LIBRARY

Ahora, al considerar las analogías con la luz, Ivan Toftul, Konstantin Bliokh y Franco Nori del Laboratorio de Física Cuántica Teórica RIKEN, y sus compañeros de trabajo, han derivado expresiones analíticas simples para la fuerza y ​​el torque generados en una pequeña partícula esférica por un campo de onda sonora genérica de una sola frecuencia. Estas expresiones revelan el vínculo directo entre la fuerza de dispersión y la densidad del campo de onda de sonido y también entre el par y la densidad del angular de giro del campo de onda.

Estas correspondencias estaban bien establecidas en óptica, pero eran bastante vagas en acústica y no había una expresión teórica para el par en una partícula pequeña en un campo genérico de ondas de sonido«, explica Bliokh. «Así que nuestros objetivos eran llenar estos vacíos importantes en la teoría de la interacción entre las ondas sonoras y la materia«.

El análisis del equipo reveló conexiones inesperadas entre la luz y el sonido

«Las ondas de sonido generalmente se consideran campos de ondas escalares simples que carecen de propiedades vectoriales como la polarización y el espín, pero nuestros hallazgos muestran que los campos de ondas de sonido genéricos en realidad tienen tantos grados de libertad para las micromanipulaciones como los campos ópticos«, comenta Bliokh. “Creo que esta analogía muestra que los campos acústicos pueden ofrecer muchas más posibilidades de las que tradicionalmente se consideraban antes”. Por ejemplo, la teoría del equipo muestra que una partícula en un campo acústico evanescente -el campo no uniforme generado cerca de las superficies- experimenta fuerzas y torque que son muy similares a los de un campo evanescente óptico.

Por lo tanto, el análisis del equipo establece una correspondencia biunívoca entre las fuerzas ópticas y los pares bien estudiados utilizados para la micromanipulación y sus contrapartes acústicas. «Esto permitirá la fácil transferencia de conocimiento y hallazgos entre sistemas ópticos y acústicos«, señala Bliokh. «Ahora estamos revisando el enfoque de la teoría de campo fundamental para la acústica y estamos examinando las propiedades vectoriales recientemente reveladas de los campos acústicos«.

(1). Toftul, I. D., Bliokh, K. Y., Petrov, M. I. & Nori, F. Acoustic radiation force and torque on small particles as measures of the canonical momentum and spin densities. Physical Review Letters 123, 183901 (2019). doi: 10.1103/PhysRevLett.123.183901