聲牽引光束可為人類的懸浮鋪平道路
諸平
Workingprinciple of virtual vortices: intertwined short vortices of oppositedirections are emitted to trap and stabilize the particle. Credit: University of Bristol
聲牽引光束利用聲音的力量使粒子懸浮在空中，與磁懸浮不同，它們可以抓取大多數固體或液體。布里斯托大學的工程師們已經首次證明，在聲學牽引光束中，完全有可能穩定地捕捉到比聲音波長更大的物體。這一發現為在體內操縱藥物膠囊或微外科醫療器械打開了方便之門。如今，微妙的更大樣本需要使用更小的集裝箱來進行運輸，也不是沒有可能，並可能導致人類懸浮的更多應用。
研究人員先前認為，聲學牽引光束從根本上限制了對小物體的懸浮，因為之前所有試圖捕獲比波長更大的粒子的嘗試都是不穩定的，無法對物體旋轉進行控制。這是因為旋轉的聲場將一些旋轉運動轉移到物體上，使它們能夠以更快的速度旋轉，直到它們被彈射出去。
但是2018年1月22日，在《物理評論快報》（Physical Review Letters）上發表的新方法——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，使用了快速波動的聲學渦流，類似於聲音龍捲風，它是由一種類似於龍捲風的結構而組成的，圍繞著一個安靜的內核而發出巨大的聲音。布里斯托爾大學的研究人員發現，旋轉速度可以通過快速改變渦流的扭轉方向來精確控制，從而穩定牽引光束。然後，他們增加安靜內核的大小，讓它能容納更大的物體。研究人員在40 kHz的音高用超聲波進行研究，這與只有蝙蝠能聽到的聲波相似。研究人員在牽引光束中持有一個2 cm的聚苯乙烯球（polystyrene sphere），用這種球體測量了兩種不同聲波波長，這也是在牽引光束中迄今為止最大的被困物體。研究表明，在未來，將會有更大的物體可能會以這種方式使其懸浮起來。
下面的照片是布里斯托大學提供的一種有1.6 cm的聚苯乙烯泡沫粒子(styrofoam particle)被困在40 kHz超聲波虛擬渦流發生器的中心.
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
來自布里斯托大學機械工程學院（Bristol's Department of MechanicalEngineering）的論文第一作者Asier Marzo博士說:“多年來，聲學研究人員一直對這種規模的限制感到沮喪，所以找到一種方法來加以克服，發現結果是令人滿意的。我認為這為許多新應用打開了大門。”
高級研究助理Mihai Caleap博士，是他開發了這種模擬實驗，他解釋說:“在未來，在擁有更多的聲動力的條件之下，完全有可能可以操控更大的物體。在過去這只是被認為是有可能的，使用更低的音調來讓實驗聽得到，而且對人類來說是危險的。”
布里斯托大學機械工程學院的超聲波學教授Bruce Drinkwater是負責指導這項研究工作的。他補充說:“在許多應用中，聲學牽引（Acoustic tractor beams）具有巨大的潛力。無接觸生產線的設想使我特別興奮，在此生產線上，人們無需接觸就可以對精緻的物體進行組裝。”
Fig. 2 Styrofoam painted particles of 2 mm diameter spinning inside a regular vortex. Credit: University of Bristol
圖2是布里斯托大學提供的直徑為2 mm的聚苯乙烯泡沫塑料顆粒，在一個普通的渦流中旋轉的照片。更多信息請注意瀏覽原文或者參考相關網站報道。
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