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多粒子系统的精准控制因高维构型空间的稳定结构多样性而具挑战。本文针对含非保守、非互易作用的系统，开发参数泵浦（parametric pumping）方法，通过选择性激发 / 破坏结构实现靶向重构，在声学悬浮等多系统中验证其普适性，为多粒子系统操控提供新路径。
在微观世界中，从晶体形成到蛋白质折叠，再到微型机器人自组装，多粒子系统的精准结构控制始终是科学研究的核心挑战。这类系统因尺度小、构型空间复杂，且常涉及短程相互作用，传统基于自由能 Landscape 调控的方法在面对非保守（如存在能量耗散）或非互易（作用力不满足牛顿第三定律）相互作用时往往失效。例如，声学或光学捕获技术虽能通过局域场梯度操纵粒子，但受限于波长尺度，难以适用于粒子紧密排列、相互作用主导的场景；而依赖自由能 Landscape 设计的方法（如电磁相互作用、DNA 键合等）又缺乏重构灵活性，在非平衡自组装系统中更是举步维艰。
为突破这些瓶颈，美国芝加哥大学（University of Chicago）的研究人员 Qinghao Mao、Brady Wu 等开展了一项创新研究，相关成果发表在《Nature Communications》上。他们借鉴光学泵浦（optical pumping）对量子态的操控思路，开发了一种基于参数泵浦的非侵入式结构重构方法，成功实现了对强相互作用多粒子系统的动态控制，为复杂系统的精准操控开辟了新方向。
研究团队采用的关键技术包括：
- 声学悬浮技术：利用单轴朗之万型喇叭产生高频超声波（≈34,800 Hz），形成驻波场悬浮微米级聚苯乙烯颗粒，通过高速相机和压力传感器实时监测粒子运动。
- 参数泵浦调制：通过函数发生器调制压电换能器的输入电压振幅（形如 V(t)=V0(1+εamsin(2πfamt))），进而调控声能密度，选择性激发粒子系统的特定振动模式（Vibrational Modes, VMs）。
- 有限元分析（FEM）与马尔可夫模型：通过 COMSOL 模拟声流场和粒子间作用力，构建刚度矩阵分析振动模式；利用马尔可夫模型预测泵浦 - 淬灭循环中的状态跃迁概率。
结果
1. 双粒子系统的参数泵浦验证
在双粒子 “分子” 系统中，声致作用力（吸引性声散射力与排斥性粘性流力）形成稳定平衡间距 rss。通过调制泵浦频率 fam 和深度 εam，成功激活面内 “呼吸” 振动模式。实验显示，当调制频率接近振动模式共振频率的 2/n 倍（Arnold 舌区域）时，振动振幅显著增大，验证了参数泵浦对保守相互作用系统的有效性。
2. 五粒12子系统的可逆重构与非互易作用挑战
针对含非互易作用的五粒子系统（粒子间作用力不满足牛顿第三定律），其多体相互作用导致无法定义唯一自由能 Landscape。研究发现，通过泵浦参数组合（如 fam=290 Hz,εameff=0.40）可选择性 destabilize 五边形结构，促使系统在淬灭后弛豫为十字形结构，反之亦然。仅需数次泵浦 - 淬灭循环，即可实现两种构型的高概率可逆切换，且与马尔可夫模型预测一致。
3. 复杂34构型空间的拓展应用
- 三态系统（杆 - 球集群）：通过顺序泵浦不同状态的振动模式（如先激活红色结构，再激活绿色结构），可使蓝色结构成为 “吸收态”，成功率随循环次数指数提升。同时，同步泵浦两种状态可进一步缩短收敛时间。
- 13 粒子三维56 Lennard-Jones（LJ）集群：在 >70 种稳定结构中，利用二十面体构型的振动频率对称性间隙，通过泵浦参数选择性激活该状态，使系统从随机初始条件快速收敛至目标结构，验证了方法对高维构型空间的适用性。
- 数百粒子声学悬78浮颗粒筏：通过激活整体形状振荡模式（如三重对称模式），使颗粒筏在泵浦阶段 shedding 粒子，淬灭后稳定至更小尺寸。通过调整泵浦频率，可靶向控制筏的最终尺寸，展现了对宏观集群的调控能力。
结论与讨论 910
本研究提出的参数泵浦方法突破了传统依赖自由能 Landscape 的限制，无需实时反馈控制，即可通过振动模式激发实现多粒子系统的结构重构，尤其适用于含非保守、非互易相互作用的复杂系统。其核心优势在于将高维控制问题转化为一维频率域调控，且不依赖粒子特性或几何形状，可推广至介电、磁性粒子及光学捕获系统。
该成果不仅为非平衡自组装、微机器人操控等领域提供了新工具（如选择性消除组装过程中的不良亚结构），还可与远场势梯度方法结合，实现大规模并行操控。未来，参数泵浦技术有望在生物医学（如无接触细胞计数、胶体晶体缺陷调控）、智能材料等领域引发变革，为从微观到介观尺度的复杂系统操控开辟了全新范式。
