片上相控叉指超材料：实现表面声波、微流与微纳物体的多功能操控新突破

《Nature Communications》：On-chip phased interdigital metamaterials enable versatile manipulation of surface acoustic waves, microfluids, and micro/nano-objects

本研究针对现有表面声波（SAW）芯片难以实现亚波长精度波场调控的瓶颈，开发了片上相控叉指超材料（PIM）。通过将深亚波长分辨率相位信息编码至叉指电极几何形状，PIM能够定向调控SAW波前与能量分布，生成伪驻波、SAW射流及双射流等特殊波场，并实现声波信息的“类二极管”单向传输。该技术突破了传统叉指换能器（IDT）的功能局限，为量子声学、光力学及声流控芯片提供了全新的设计范式。

　　

在微纳尺度世界中，如何精确操控流体和微小物体一直是科学家面临的挑战。表面声波（SAW）技术因其非接触、高通量和生物相容性等优势，被广泛应用于量子信息处理、光力学和生物医学检测等领域。然而，传统SAW器件依赖简单结构的叉指换能器（IDT），只能生成固定方向的声波，无法像体波超材料那样实现灵活的波场调控。这限制了SAW技术在复杂声场生成、定向信息传输和精密声流控操作中的潜力。

为解决这一难题，美国弗吉尼亚理工大学Zhenhua Tian团队在《Nature Communications》上发表了题为“On-chip phased interdigital metamaterials enable versatile manipulation of surface acoustic waves, microfluids, and micro/nano-objects”的研究。他们提出了一种相控叉指超材料（PIM），通过将定制化的相位分布编码到微米级叉指电极的几何形状中，实现了对SAW波前和能量分布的深亚波长分辨率调控。

研究团队通过建立解析模型预测PIM生成的声场，并利用激光多普勒测振仪进行实验验证。关键技术包括：基于声全息原理的PIM电极设计、高频SAW场时空测量技术、声流控实验平台构建，以及集成单向放大电路和损耗材料的SAW超材料芯片制备。

生成多功能表面声波场

通过设计具有梯度相位分布的叉指电极，PIM可生成倾斜传播的SAW（如80°方向），其波数谱在k_x-k_y域呈现明确的方向性特征。此外，通过交替编码0和π弧度的相位，PIM还能产生“伪驻波”，其能场分布类似于传统双IDT生成的驻波，但节点间距由电极设计而非波长决定。

生成长窄SAW射流

PIM通过调控一系列焦点逐渐变化的聚焦SAW，生成了能量高度集中于亚波长宽度内的长射流。实验表明，通过调整电极数量、器件跨度和焦点位置等参数，可实现射流长度和位置的自定义。尤为重要的是，PIM生成的单射流在分裂为双射流后，各射流宽度进一步减小，且其波数谱呈现对称分布特征。

SAW的变换与“类二极管”传输

研究团队构建了集成直线电极IDT、损耗材料、单向放大电路和PIM的SAW超材料芯片。该芯片可将入射的直线波前SAW转换为定向传播波、聚焦射流或双射流，同时通过电路单向性和损耗材料吸收作用，实现声波信息的单向传输，反向传输衰减接近零。

PIM在声流控中的应用

在声流控实验中，PIM生成的倾斜驻波可将35μm二氧化硅微粒排列成平行线状分布，而伪驻波则形成二维晶格状图案。多壁碳纳米管（MWCNT）在声场作用下沿波传播方向定向排列。此外，SAW射流可诱导微尺度射流和成对的反向旋转涡流，实现微粒沿射流定向输运，而双射流则在中线区域产生反向流动。

该研究突破了传统SAW器件的设计局限，通过PIM实现了声波场、微流和微纳物体的协同操控。其提出的解析模型与实验验证为高频声场调控提供了新工具，而“类二极管”传输特性为声学信息处理芯片开发奠定了基础。未来，PIM技术有望在单细胞操纵、生物粒子富集和片上信号处理等领域发挥重要作用，推动声学超材料向多功能、可编程方向发展。