声牵引光束可为人类的悬浮铺平道路

诸平

物理学家组织网（Phys.org）2018年1月22日转载了来自布里斯托大学（University of Bristol）的消息，世界上最强大的声音牵引光束可以为人类的悬浮铺平道路。下图是来自布里斯托大学虚拟的涡流工作原理示意图:将相互作用的反方向的小漩涡释放出来，使粒子稳定下来.

Workingprinciple of virtual vortices: intertwined short vortices of oppositedirections are emitted to trap and stabilize the particle. Credit: University of Bristol

声牵引光束利用声音的力量使粒子悬浮在空中，与磁悬浮不同，它们可以抓取大多数固体或液体。布里斯托大学的工程师们已经首次证明，在声学牵引光束中，完全有可能稳定地捕捉到比声音波长更大的物体。这一发现为在体内操纵药物胶囊或微外科医疗器械打开了方便之门。如今，微妙的更大样本需要使用更小的集装箱来进行运输，也不是没有可能，并可能导致人类悬浮的更多应用。

研究人员先前认为，声学牵引光束从根本上限制了对小物体的悬浮，因为之前所有试图捕获比波长更大的粒子的尝试都是不稳定的，无法对物体旋转进行控制。这是因为旋转的声场将一些旋转运动转移到物体上，使它们能够以更快的速度旋转，直到它们被弹射出去。

但是2018年1月22日，在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上发表的新方法——Asier Marzo, Mihai Caleap, Bruce W. Drinkwater. Acoustic virtual vortices with tunable orbital angular momentum for trapping of Mie particles. Physical Review Letters, 2018, 120, 044301 – Published 22 January 2018. https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.120.044301，使用了快速波动的声学涡流，类似于声音龙卷风，它是由一种类似于龙卷风的结构而组成的，围绕着一个安静的内核而发出巨大的声音。布里斯托尔大学的研究人员发现，旋转速度可以通过快速改变涡流的扭转方向来精确控制，从而稳定牵引光束。然后，他们增加安静内核的大小，让它能容纳更大的物体。研究人员在40 kHz的音高用超声波进行研究，这与只有蝙蝠能听到的声波相似。研究人员在牵引光束中持有一个2 cm的聚苯乙烯球（polystyrene sphere），用这种球体测量了两种不同声波波长，这也是在牵引光束中迄今为止最大的被困物体。研究表明，在未来，将会有更大的物体可能会以这种方式使其悬浮起来。

下面的照片是布里斯托大学提供的一种有1.6 cm的聚苯乙烯泡沫粒子(styrofoam particle)被困在40 kHz超声波虚拟涡流发生器的中心.

Fig. 1 A styrofoam particle of 1.6cm (1.88 wavelengths of sound) trapped in the centre of a 40kHz ultrasonic generator of virtual vortices. Credit: University of Bristol

来自布里斯托大学机械工程学院（Bristol's Department of MechanicalEngineering）的论文第一作者Asier Marzo博士说:“多年来，声学研究人员一直对这种规模的限制感到沮丧，所以找到一种方法来加以克服，发现结果是令人满意的。我认为这为许多新应用打开了大门。”

高级研究助理Mihai Caleap博士，是他开发了这种模拟实验，他解释说:“在未来，在拥有更多的声动力的条件之下，完全有可能可以操控更大的物体。在过去这只是被认为是有可能的，使用更低的音调来让实验听得到，而且对人类来说是危险的。”

布里斯托大学机械工程学院的超声波学教授Bruce Drinkwater是负责指导这项研究工作的。他补充说:“在许多应用中，声学牵引（Acoustic tractor beams）具有巨大的潜力。无接触生产线的设想使我特别兴奋，在此生产线上，人们无需接触就可以对精致的物体进行组装。”

Fig. 2 Styrofoam painted particles of 2 mm diameter spinning inside a regular vortex. Credit: University of Bristol

图2是布里斯托大学提供的直径为2 mm的聚苯乙烯泡沫塑料颗粒，在一个普通的涡流中旋转的照片。更多信息请注意浏览原文或者参考相关网站报道。