前沿科技之能“存放”聲音的聲學魔瓶

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科學日報報道，一種新型聲波即將到來，它或可能具有廣泛的應用前景，包括先進的超聲成像和療法，聲隱身、聲懸浮和操縱粒子。美國能源部勞倫斯·伯克利國家實驗室的研究人員研發了一種新的技術在戶外產生聲學瓶子，后者能夠沿著預定的凸狀軌跡彎曲聲波的路徑。這項研究被發表在期刊《自然通信》上。

聲波的移動方式和光波很相像。它們以直線的形式前進，但這個路徑或可能通過折射、衍射或反射被彎曲，這便是超聲波醫療成像和材料非破壞性測試的基礎。近些年科學家們已經展開密切搜索，旨在提出能夠沿著曲線軌跡彎曲聲波的方法，從而滿足超高分辨率成像、聲隱形和其他應用的需要。名為”超材料”的人造納米構建物已經被改造的能夠充分彎曲聲波，但這些材料的本質限制了它們的應用，尤其是用于生物領域。

“我們需要尋找不依賴高度改造的媒介來彎曲聲波場的新方法，” 伯克利國家實驗室材料科學部門主任張翔（Xiang Zhang）說道。“利用我們的局域空心光束技術，我們可以設計和人工合成聲學瓶子，在無需超材料或者任何其它高度改造的媒介的前提下，指導聲波沿著既定彎曲路徑穿過齊性空間。” 美國加州大學伯克利分校Ernest S. Kuh講席教授張翔指導了美國國家科學基金會的納米科學與工程中心，他還是伯克利科維理能源納米科學研究所（ENSI）的成員。他和他的研究小組因設計操控光和聲的研究而獲得國際社會的贊譽，這將產生某些非凡的結果——隱形斗篷設備，能夠彎曲光線的等離子艾里光束，世界上第一個聲學超透鏡，能夠永恒保持完美時間的四維晶體等。

在最新的研究里，張的研究小組里的三名成員張鵬（Peng Zhang）、李同倉（Tongcang Li）和朱杰（ Jie Zhu）創造了一種具有三維曲面外殼的聲學“瓶子”，高聲學壓力的墻環繞著中間的零壓力區域。 形成瓶子的聲波集中成光束，可以穿過曲面外殼的高壓墻。聲波則由直徑為1.5厘米、相距2.5厘米、發送頻率為10千赫茲的揚聲器陣列產生，通過精確調節揚聲器陣列的相位描述，可以將它按照設定的軌道發射。

“因為調節相位陣列的原則已經非常成熟，且已經被用于超聲波成像，我們可以將我們的聲學局域空心光束技術應用于現有的聲學系統，”研究首席作者張鵬這樣說道。“我們的研究提供了隨意控制聲學能量流的新的自由度。”

由于聲學瓶子的高壓墻會產生牽引力，因此沒有聲波會經過瓶子內部無壓力區，所以瓶子本身就可以用于聲學捕獲。此外，局域空心光束不會被區域內部放置的任何障礙物所影響，且當障礙物阻礙它的路徑時，它甚至可以自我修復。

“我們的聲學局域空心光束技術在需要獲取隱藏在障礙物后面的難以夠及的物體的應用方面，例如聲學成像和通過非均勻介質的治療性超聲波，開辟了新的途徑。”研究合作作者李說道。“我們還可以利用聲學瓶子作為隱形設備，改變環繞物體的聲波路徑，然后以它的原始形式將其恢復，使得這一物體對聲納探測變得不可見。”

聲學局域空心光束或可以在高科技領域里最炙手可熱的應用——聲懸浮里發揮作用，聲懸浮是指聲波被用于提升和操控毫米大小的物體，包括粒子、微生物和水滴。一項報告稱將懸浮聲波用于3D圖像打印的技術在近期被認為是重大突破性進展。

“我們的聲學局域空心光束可以實現相同目標，且具有更好的穩定性，能夠實現真正的3D圖形并擁有更多自由度，因為光束可以沿著曲線路徑傳播，”研究合作作者朱說道。“我們還可以懸浮更大的3D物體，這是其它聲懸浮技術所無法實現的。”

這項研究的另一名合作作者楊歲（Sui Yang）表示這種可以圍困比聲學局域空心光束的半波長更大的物體的能力或可能為與材料相關的研究提供重要的新工具。“這些巨大的聲學陷阱可能導致新技術和新設備的發展，以用于一系列領域，包括化學、材料以及生物科學，”楊說道。“例如，通過創造三維類似瓶子的聲學陷阱，我們可以將它用作一個微化學反應器，對生物非法交易設備進行操控。”這項研究的其他合作作者還包括朱雪峰(Xuefeng Zhu)，王媛(Yuan Wang)和尹曉波（Xiaobo Yin）。這項研究得到了美國海軍研究辦公室MURI項目的支持。

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