Fascio ultrasonoro a vortice Bessel multicanale mediante metalente a multiplex spaziale

Spirali sonore che puoi dirigere

Immagina di poter avvolgere il suono in minuscoli vortici sottomarini e inviarne diversi contemporaneamente in direzioni differenti, il tutto da un unico chip silenzioso. Questo è ciò che realizza questa ricerca: mostra come scolpire gli ultrasuoni in più fasci focalizzati a vortice che possono essere diretti indipendentemente, aprendo la strada a comunicazioni subacquee più ricche e alla manipolazione delicata e senza contatto di oggetti microscopici come cellule o particelle.

Perché il suono «torto» conta

In acqua, il suono è spesso il modo migliore per comunicare o sondare l’ambiente. Oltre ai semplici fasci rettilinei, gli ingegneri hanno imparato a creare suoni a forma di vite, detti vortici. Questi fasci vorticosi trasportano un tipo di rotazione che può intrappolare piccole particelle in una zona centrale scura e farle ruotare, e rotazioni differenti possono comportarsi come canali distinti per inviare informazioni. Finora, la maggior parte dei dispositivi riusciva a generare un solo fascio di questo tipo o uno schema fisso, limitando l’applicabilità di questi campi sonori esotici nelle tecnologie reali.

Una lente, molti vortici sonori

Il team ha progettato una lente piatta speciale, o metalente, costituita da una fitta griglia di piccoli pilastri, ciascuno largo circa un quinto di millimetro. Quando gli ultrasuoni la attraversano, le altezze variabili di questi pilastri ritardano il suono in misura diversa, rimodellando l’onda uscente. Invece di dedicare l’intera superficie a un unico schema, i ricercatori hanno intrecciato quattro schemi sulla griglia, come una scacchiera in cui ogni colore appartiene a un canale diverso. Una semplice onda piana incidente viene così trasformata in quattro fasci vortice separati, ciascuno inclinato in una propria direzione e ciascuno con la propria rotazione, il tutto senza parti in movimento o elettronica complessa.

Mantenere i fasci stretti ed efficienti

Normalmente, un fascio sonoro vorticoso si disperde rapidamente durante la propagazione, dissipando energia. Per contrastare questo effetto, gli autori combinano la forma a vortice con un altro tipo di fascio noto per rimanere stretto su lunghe distanze, ottenendo quello che viene chiamato fascio vortice di Bessel. Ottimizzano il progetto in modo che, a una frequenza ultrasonora comunemente usata in ambito medico di 2 megahertz, i quattro fasci restino focalizzati e ben separati in acqua. Simulazioni al computer ed esperimenti in vasca con un campione stampato in 3D ad alta precisione mostrano che i fasci emergono agli angoli previsti con un errore inferiore a un grado, e che la maggior parte dell’energia sonora è concentrata dove deve essere, nel nucleo principale di ciascun vortice piuttosto che in frange laterali indesiderate.

Regolare forza e forma

Poiché la lente è codificata canale per canale, i progettisti possono modificare non solo la direzione di ciascun fascio ma anche quanto fortemente esso ruoti e quanto sia intenso. Assegnando ordini di «rotazione» più elevati a canali selezionati, producono vortici più ampi e diffusi, mentre ordini più bassi rimangono più compatti—utile se si desidera intrappolare particelle di dimensioni diverse in punti diversi. Mostrano anche una versione a due canali della lente in cui una maggiore superficie è dedicata a un numero minore di fasci. In quel caso, l’intensità sonora vicino ai nuclei dei vortici aumenta quasi di quattro volte rispetto al design a quattro canali, scambiando il numero di canali per fasci più forti e puliti.

Dalla dimostrazione in laboratorio agli strumenti futuri

Le misure del campo sonoro confermano che ogni canale corrisponde strettamente alla forma vortice ideale, con bassa interferenza tra di essi. L’approccio si confronta favorevolmente anche con metodi più vecchi che sovrappongono semplicemente diversi schemi; dividendo invece la superficie in regioni intrecciate, la nuova lente spreca meno energia e separa meglio i canali. In termini pratici, questo potrebbe tradursi in dispositivi subacquei compatti che inviano simultaneamente più flussi di dati, o in pinzette acustiche che ordinano le cellule per dimensione o tipo usando diversi vortici contemporaneamente. Guardando avanti, lo stesso schema pixel‑per‑pixel potrebbe essere abbinato a maschere semplici o a interruttori attivi per accendere o spegnere i canali senza ricostruire la lente, rendendo il suono torto uno strumento ancora più versatile per comunicazione, imaging e manipolazione su scala microscopica.

Citazione: 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

Parole chiave: fasci ultrasonori a vortice, acustica subacquea, metalente acustica, multiplex spaziale, pinzette acustiche