近期，中国科大苏州高研院蒋建华教授团队与苏州大学、厦门大学、南京航空航天大学合作在涡旋结构声场的研究中取得重要进展。该研究成果以“Topological-charge multiplexed metasurfaces for generating structural acoustic field and remote dynamic control”为题发表在《Science Advances》杂志上[Sci. Adv. 11, eadw1701 (2025)]。

携带位相奇点的结构化声场近年来在通信、微粒操控和声流体学等领域展现出极高的研究热度。典型例子是具有轨道角动量（OAM）的声学涡旋，其螺旋波前可在空间形成零压力的暗点，并以拓扑荷（topological charge, TC）刻画其相位缠绕程度。为了获得高质量声涡旋，人们发展了从主动阵列、螺旋结构到超表面等一系列方法。然而，传统方案通常只能生成单一中心奇点，或需要复杂的多通道叠加才能实现多涡旋结构，导致器件可扩展性和复用能力受限；更关键的是，这类结构大多在制备后相位分布便被“锁死”，难以实现远程、实时、非接触的动态操控。对于声学通信、微粒捕获、涡旋编码等需要高自由度控制的应用来说，这种局限性显然制约了体系潜力。因此，如何在保证生成效率的同时打破“单奇点”和“静态调控”的限制，实现对多奇点结构化声场的可编程、可远程调制，已经成为该领域亟需突破的科学问题。

图1. 拓扑荷复用超构表面（TCMM）用于产生结构声涡旋奇点和远程动态控制。

本研究围绕拓扑荷复用超表面（TCMM）的设计、机理和可编程操控展开。研究团队提出以多个同心环区分别编码不同拓扑荷 qi，使其在透射端各自产生特定 OAM 涡旋，随后利用涡旋之间的相干叠加构建多奇点的结构化声场。奇点数量严格由相邻环区的拓扑荷差   决定，其空间分布由干涉条件唯一确定，因此只需调节一组离散的拓扑参数即可灵活塑造声场的拓扑纹理，而无需多源驱动或复杂结构。在此基础上，团队进一步利用环区间独立旋转的特性，引入旋转几何相位，实现对离轴奇点的远程、实时、非接触动态调控。当某一环区以角速度 ωi 旋转时，奇点群的角速度遵循简单关系式 展示出由局域拓扑荷精确决定的整体运动规律，可实现奇点的加速、减速甚至方向反转。该机制在实验中得到完全验证，为构建可编程结构化声场、动态声学编码、多粒子操控和新型声学涡旋器件提供了一个简洁、高效且具有高度拓展性的拓扑平台。

图2. 通过旋转TCMM中的不同qi区域实现对偏心涡旋奇点的远程动态操控。

该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的支持。中国科大苏州高研院蒋建华教授、苏州大学徐亚东教授、高雷教授，南京航空航天大学伏洋洋教授为论文通讯作者。研究工作得到了王飞教授、杭志宏教授、陈焕阳教授的支持。

论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adw1701

（生物医学工程学院、科研部）