Multikanal-ultraschall-Bessel-Vortex‑Strahlen durch räumliche Multiplex‑Metalens

Lenkbare Klangspiralen

Stellen Sie sich vor, Sie könnten Schall in winzige Unterwasser‑Wirbel drehen und mehrere davon gleichzeitig in verschiedene Richtungen senden – und das alles von einem einzigen, geräuschlosen Chip. Genau das erreicht diese Forschung: Sie zeigt, wie Ultraschall in mehrere eng fokussierte „Vortex“‑Strahlen geformt werden kann, die sich unabhängig voneinander steuern lassen. Das eröffnet Möglichkeiten für reichhaltigere Unterwasserkommunikation und für schonende, kontaktfreie Manipulation mikroskopischer Objekte wie Zellen oder Partikeln.

Warum verdrehter Schall wichtig ist

Im Wasser ist Schall häufig das beste Mittel, um zu kommunizieren oder die Umgebung zu sondieren. Über einfache gerade Strahlen hinaus haben Ingenieure gelernt, Schall wie eine Korkenzieher‑Form zu gestalten, einen sogenannten Vortex. Diese wirbelnden Strahlen tragen eine Art Drehimpuls, mit dem kleine Partikel in einer dunklen Zentralzone gefangen und in Rotation versetzt werden können; verschiedene Drehzustände können zudem als getrennte Kanäle zur Informationsübertragung dienen. Bisher konnten die meisten Geräte jedoch nur einen derartigen Strahl oder ein festes Muster erzeugen, was die praktische Anwendbarkeit dieser exotischen Schallfelder einschränkte.

Eine Linse, viele Klangwirbel

Das Team entwarf eine spezielle flache Linse, eine sogenannte Metalens, bestehend aus einem dichten Raster winziger Säulen, jede etwa ein Fünftel Millimeter breit. Wenn Ultraschall hindurchtritt, verzögern die unterschiedlichen Höhen dieser Säulen den Schall in unterschiedlichem Maße und formen die ausgehende Welle neu. Anstatt die gesamte Fläche einem Muster zu widmen, verschränken die Forschenden vier Muster über das Raster – wie ein Schachbrett, bei dem jede Farbe zu einem anderen Kanal gehört. Eine einfache einfallende Ebene wird so in vier separate Vortex‑Strahlen verwandelt, die jeweils in eine eigene Richtung geneigt sind und jeweils ihre eigene Verdrehung tragen, ganz ohne bewegliche Teile oder komplexe Elektronik.

Strahlen scharf und effizient halten

Normalerweise breiten sich verdrehte Schallstrahlen beim Ausbreiten schnell auf und verschwenden Energie. Um dem entgegenzuwirken, kombinieren die Autorinnen und Autoren die Vortex‑Form mit einem anderen Strahltyp, der dafür bekannt ist, über lange Distanzen schmal zu bleiben, und erzeugen so einen sogenannten Bessel‑Vortex‑Strahl. Sie stimmen das Design so ab, dass die vier Strahlen bei einer in der Medizin häufig verwendeten Ultraschallfrequenz von 2 Megahertz in Wasser fokussiert und gut getrennt bleiben. Computersimulationen und Tankexperimente mit einer hochpräzise 3D‑gedruckten Probe zeigen, dass die Strahlen in den beabsichtigten Winkeln mit weniger als einem Grad Fehler auftreten und dass der Großteil der Schallenergie dort konzentriert ist, wo sie hingehört – im Hauptkern jedes Vortex statt in unerwünschten Nebenspitzen.

Stärke und Form einstellen

Da die Linse kanalweise kodiert ist, können die Entwickler nicht nur die Richtung jedes Strahls, sondern auch deren Verdrehungsstärke und Intensität variieren. Durch die Zuweisung höherer „Drehordnungen" an ausgewählte Kanäle erzeugen sie breitere, diffusere Wirbel, während niedrigere Ordnungen enger bleiben – nützlich, wenn Partikel unterschiedlicher Größe an verschiedenen Stellen gefangen werden sollen. Sie zeigen außerdem eine Zwei‑Kanal‑Variante der Linse, bei der mehr Fläche wenigen Strahlen gewidmet ist. In diesem Fall erhöht sich die Schallintensität nahe den Vortex‑Kernen im Vergleich zum Vier‑Kanal‑Design fast um das Vierfache, was die Anzahl der Kanäle gegen stärkere, sauberere Strahlen eintauscht.

Vom Labornachweis zu künftigen Werkzeugen

Messungen des Schallfelds bestätigen, dass jeder Kanal der idealen Vortex‑Form sehr nahekommt und die Interferenz zwischen den Kanälen gering ist. Der Ansatz schneidet außerdem besser ab als ältere Methoden, die einfach mehrere Muster übereinanderlegen; indem die Oberfläche stattdessen in verschränkte Regionen aufgeteilt wird, verschwendet die neue Linse weniger Energie und trennt die Kanäle sauberer. Praktisch könnte das kompakte Unterwassergeräte bedeuten, die gleichzeitig mehrere Datenströme senden, oder akustische Pinzetten, die Zellen nach Größe oder Typ mithilfe verschiedener Wirbel gleichzeitig sortieren. In der Zukunft könnte das gleiche Pixel‑für‑Pixel‑Schema mit einfachen Masken oder aktiven Schaltern kombiniert werden, um Kanäle ein‑ und auszuschalten, ohne die Linse neu aufbauen zu müssen, wodurch verdrehter Schall ein noch vielseitigeres Werkzeug für Kommunikation, Bildgebung und microskalige Manipulation wird.

Zitation: Su, Y., Wang, D., Gu, Z. et al. Multi-channel ultrasonic Bessel vortex beams by spatial multiplexing metalens. Commun Eng 5, 50 (2026). https://doi.org/10.1038/s44172-026-00599-3

Schlüsselwörter: ultraschall‑Vortex‑Strahlen, Unterwasserakustik, akustische Metalens, räumliche Multiplexierung, akustische Pinzetten