行业新闻 | 声学之妙：利用声音操控物质

声学镊子能够沿着任意设定的路径传输粒子，且在面对缺陷和尖锐拐角时具有前所未有的稳健性。

传统声学镊子

无需物理接触即可操控微纳尺度物体的技术，已经彻底改变了从生物学到材料科学等诸多领域。其中，利用声波对粒子施加力的声学镊子，因其生物相容性、多功能性以及在芯片实验室系统中的集成潜力而脱颖而出。

声学镊子中最广泛使用的方法之一依赖于驻波场，该方法因其简单性而受到重视。这种驻波能够形成周期性的压力节点和波腹，从而捕获粒子。然而，这种简单性也限制了其功能。驻波场通常遍布整个声学腔室，因此难以将声能限制在复杂或弯曲的轨迹上。此外，驻波场对结构缺陷或尖锐拐角等不完美之处高度敏感，这些缺陷会散射声波，破坏稳定的粒子传输。

得益于拓扑光子学和声学领域的最新进展，现在有了一个用于控制波传播的强大框架。拓扑绝缘体是一种工程材料，其内部是绝缘的，但可以沿着边缘传导波，通过材料的底层拓扑结构来保护边缘态。因此，它们能够引导波绕过拐角和缺陷而不发生背向散射。将这一概念引入声学镊子，便形成了"拓扑声学镊子"，它结合了声波的非侵入性优势与拓扑保护的稳健性和设计灵活性。

构建声学"高速公路"

郑及其合作者展示了拓扑声学镊子的开创性工作之一，该系统能够沿着任意设计的路径高精度地传输微观粒子，即使在存在缺陷、空腔或拐角的情况下也能保持稳定运行。

该系统的核心是一个谷霍尔拓扑声子晶体，由排列成蜂窝状晶格并浸没在水中的三角形钢柱构成。该系统的精妙之处在于其独特的界面设计：两个具有相反旋转方向的钢柱阵列相遇，形成一条清晰的边界。这个界面诱导出拓扑保护的界面态，从而产生具有特殊性质的波导。当声波沿着这条波导传播时，即使在尖锐拐角或结构缺陷处也不会发生背向散射，从而确保了声能的稳定传输。这种设计就像一条为声音量身定制的专用"高速公路"，使其能够绕过传统声波导中常见的能量损失。

图1 拓扑声学镊子系统示意图

由两个换能器产生的反向传播的超声波，沿着谷霍尔拓扑声子晶体的界面形成一个局域的驻波。通过调节声源之间的相对相位，粒子可以沿着移动的压力波腹传输，并且对缺陷具有稳健性

通过同时使用两个声源，研究团队展示了如何动态移动拓扑波导内的粒子。如图1所示，经过精确相位控制的声波从界面两端同时进入。这些波在拓扑界面处干涉，形成一个高度局域的驻波场。该场被严格限制在预先设定的拓扑路径上，不会扩散到周围区域。通过程序化地调节两个声源之间的相对相位延迟，研究人员实现了驻波场内压力波腹的连续位移。这种方法使得被捕获在这些波腹处、具有负声学对比因子的微粒能够沿着移动的势阱被传输，就像乘坐可编程的声学传送带一样。

一系列实验证实了该系统的性能。结果表明，微粒不仅能笔直地在拓扑通道中稳定移动，还能通过包含转弯和空腔缺陷的复杂波导，且传输效率几乎没有损失。这种稳健性源于系统的拓扑保护机制，该机制在传播过程中保持了界面态相位的连续演化。因此，该系统有效抑制了背向散射，否则这种散射会干扰粒子运动并导致传统声学镊子失效。

为了进一步彰显该技术的可编程性，研究人员构建了一个拓扑循环器系统。在这个更先进的结构中，通过精确控制三个声源的激活顺序和相位调制，他们可以实现单个粒子的连续、定向循环。这一演示凸显了拓扑声学镊子在构建复杂输运网络和推进芯片实验室应用方面的潜力。