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为解决声学涡旋轨道角动量（OAM）取向研究局限问题，南京大学等机构研究人员开展生成三维时空声学涡旋的研究。通过两种方法实现 OAM 任意取向控制，为研究新型结构声场奠定基础，开拓了声学 OAM 操控新维度。
在物理学的众多领域中，涡旋现象广泛存在且极具研究价值。光学和声学涡旋因独特的强度与相位分布，携带的纵向轨道角动量（OAM）在信息传输、成像、量子技术及粒子操控等方面大显身手。近年来，时空（ST）涡旋成为新热点，其在时空域呈现螺旋相位，携带垂直于传播方向的横向 OAM，能带来新奇物理现象，在光学领域已取得不少成果。但在声学领域，虽然声学涡旋已被广泛研究和应用，如声学捕获、旋转、悬浮及通信等，可对于声学涡旋 OAM 取向的研究，大多还局限于传统纵向方向，横向 OAM 相关研究较少，生成具有任意取向 OAM 的声学涡旋更是有待探索。
为填补这一空白，来自南京大学固体微结构国家实验室、材料科学与工程系等机构的研究人员展开深入研究，相关成果发表在《Nature Communications》上。
研究人员采用的关键技术方法主要有：一是利用傅里叶积分和傅里叶变换，将时空波包表示为一系列平面波模式的叠加，并获取其空间频谱；二是通过采样空间频谱中的点，用声学相控阵驱动扬声器产生特定方向的平面波模式，进而叠加构建所需的时空波包；三是使用麦克风阵列在扫描平面采集时域声压信号，结合触发信号确保数据采集的同步性，再利用希尔伯特变换获取声压场的完整复数表示，实现对三维波包在时空域的精确表征。
研究结果如下：
- 生成携带纵向和横向 OAM 的三维时空涡旋：研究人员分别构建了携带纵向和横向 OAM 的三维时空（ST）声波包。先推导 ST 声波包的解析表达式，经傅里叶变换得到空间频谱，理论计算其固有 OAM。通过采样空间频谱，用声学相控阵生成一系列平面波模式并叠加，构建出目标 ST 声波包。实验在消声室进行，利用二维声学相控阵和麦克风阵列测量，结果显示实验与理论高度吻合，成功生成相应的三维 ST 涡旋，为后续操控 OAM 方向奠定基础。
- 三维空间中时空涡旋的直接旋转：为改变 OAM 方向，研究人员将携带纵向或横向 OAM 的波包在三维空间直接旋转。以携带纵向 OAM 的波包绕 x 轴旋转 45° 为例，计算得出旋转后波包的 OAM 方向也随之旋转 45°。从理论计算和实验测量的三维等强度轮廓、各截面振幅和相位分布，都能清晰看到波包旋转带来的变化，证明通过控制波包旋转，可在三维空间精确操控 OAM 取向。
- 携带纵向和横向 OAM 涡旋的相交：除旋转波包，研究人员还将携带不同类型 OAM 的涡旋集成到单个波包中改变 OAM 方向。如将携带纵向和横向 OAM 的涡旋相交，得到携带倾斜 OAM 的波包，通过调整螺旋相位参数，可改变 OAM 在 y - z 平面的取向。研究人员还展示了三个相互垂直方向 OAM 涡旋的相交，能创造复杂零振幅隧道结构，且涡旋的螺旋相位参数可取分数值，实现更精确的 OAM 取向控制。
研究结论和讨论部分指出，该研究成功生成具有任意取向 OAM 的 ST 声学涡旋，把 ST 声学涡旋从二维拓展到三维，通过旋转涡旋或相交不同类型涡旋获得倾斜 OAM 的波包。实验利用声学相控阵和时空域测量精确表征三维波包，OAM 方向成为操控声波的新自由度，有望实现任意方向的粒子操控，在基础物理和应用科学研究方面开辟新道路，为研究新型时空结构的三维声波场搭建平台，助力发现和研究更多新奇的声波物理现象。
