复旦副教授探索突破自然材料极限，为声波调控找到更多按钮@“上海科技35U35”江雪
声学人工结构最大的特点就是把原来的庞然大物缩小，用一个几厘米甚至更小尺寸的器件产生与数米尺寸自然材料器件相同的调控效果。“一只蚂蚁如何把大象绊倒？这就是一个对声学人工结构所解决问题的有趣比喻。”
江雪在实验室 图片来源：受访者供图
对于未来声学发展，江雪认为，医学超声和水下通信是两个非常重要的方向，声学在这两个领域有不可替代的独特优势。
医院的超声检查、超声刀手术、深海探测、水下通信……这些高新技术的背后其实都依赖于同一门基础学科——声学。譬如在海洋中，光波和无线电波的衰减都十分严重，传播距离受限，声波是目前唯一能够远距离传播的能量形式，因此在海洋测绘、海上维权、海洋科学研究和远洋军事等方面的众多场景中，声波成为重要的信号载体和技术手段。
“人类研究声波，也就是声学，其本质就是通过调控声波来满足人类生活生产过程中的各类需求。”复旦大学信息科学与工程学院副教授江雪日前在接受专访时介绍说。
目前在声学研究领域，一个重要的聚焦点是探索超越自然材料声学能力的声学人工结构，相当于创造出新的声学材料。声学人工结构最大的特点是可以用一个几厘米甚至更小尺寸的器件产生与数十米自然材料器件相同的调控效果。“一只蚂蚁如何将大象绊倒？这是对声学人工结构解决问题的一个有趣的比喻”，江雪举例说，“譬如水下通信里常用的声波波长都是数米或几十米的量级，如果用传统方式去做一个调控声波的器件，器件本身可能也达到了数米量级，要把这样的一个庞然大物部署在水下，非常困难，利用声学人工结构则可以解决这一难题。”
作为声学人工结构领域的科学工作者，江雪利用声学人工结构的特殊优势解决了几个声学通信和医学超声等国家重大领域中的多项关键技术难题，提出了可提高声学通信效率的新型多路复用通信方法，并研发出一系列突破常规性能极限的医学超声器件。因在这一领域的出色工作，江雪于今年8月入选第二届“上海科技青年35人引领计划”。
超声无线控制装置 图片来源：受访者供图
给声波调控找到更多物理按钮
对声波的调控是声学所有的重要应用中的核心问题，无论是消除噪声还是控制波形，本质上都是控制声波、引导声波，将其或吸收或反射或散射等，按照人类的需求来操控声波，“在水下探测和通信中，如何定向发射声波给目标，然后更好捕捉到目标反射回来的信号，这都需要提高探测或通信的效率和准确度；相比之下，超声成像的目标是实现更高分辨率的组织成像，其本质还是精准地控制声波与生物组织的相互作用关系。”江雪说。
在声学人工结构出现之前，人类对于声波的调控都是基于自然材料实现，但自然材料有着明确的界限，对声波的控制能力也相当局限，声学人工结构则可以突破自然材料的极限。
“实现声波的负折射率就是突破之一。”江雪介绍说，“我们都见过笔插入水中，看起来好像是被折弯了，这就是光的折射现象，如果有负折射率的介质，可以让笔看上去是折断的。理论上，声波的负折射也是可以实现的，但自然界中不存在现成的材料，就需要我们研发出一种具有负折射率的材料，等于是给声波的调控打开了新的空间。除此之外，轨道角动量也帮助我们找到声波调控的全新维度。”类似地，江雪希望能找到更多的物理机制来扩展声波的操控空间，并解决声学领域中的一些卡脖子问题。
声轨道角动量发射结构 图片来源：受访者供图
目前在提高通信的信道容量方法中，普遍采用时分多路复用和频分多路复用的办法，主要原理是将信息编码在不同时间段或不同频率范围的载波中。但仅使用时间或频率一个自由度，那么只能在有限的范围内扩充信道容量，难以满足对声学通信速率的日益增长的需求。
如何利用独立于时域和频域之外新的自由度，以进一步高效地扩充声信号传输的信道容量？江雪的工作便是将声学轨道角动量作为独立于时间和频率的新自由度，为扩充声学通信的信道容量提供全新选择，最终目的是发展更精确、更高效、更大容量的新一代声学通讯信号传输。
声轨道角动量发射结构 图片来源：受访者供图
“通俗一点解释，就是相当于把一阵微风变成一个龙卷风，实现一种特殊的波形转换”，江雪解释说，“我们当时提出了一个新的物理机制，即用一个共振型人工结构把声学共振转换成角动量，转化的结果就是将一个没有旋转的平面波，经过人工结构改造后产生一个有声学轨道角动量的涡旋波。在学理上说，即通过在亚波长尺寸的非螺旋状平面声学共振型超构材料中,产生依赖于角度方向的等效声波矢量,将声学共振转化为声轨道角动量。”在物理机制创新的基础上，江雪通过将轨道角动量作为一个新自由度来编码信号，从而能够在现有通信技术的基础上数倍地提高通信容量。
“坚持”才能跨过“科研迷茫”这道坎
2010年，江雪在高考志愿中选择了南京大学的物理专业。在一个小城里，“女孩子+搞物理”听起来就是很难得到认可的组合标签，当时江雪的选择也不出意外地受到了家长的反对。
“我当时翻着报考指南看专业方向的时候，发现我并不知道非常热门的如经济会计方向具体做什么。所以我想，与其去读一个不大清楚做什么的专业方向，不如去找一个我认为可以做好的方向。”江雪一边回忆一边笑着说，“那个时候可能也是初生牛犊不怕虎，就认为高中物理学的不错，我就去做物理研究。”
南京大学的物理学某种程度上是学校的王牌专业，高手如云。进入大学以后，江雪第一次发现，物理研究跟高中物理课本上的内容完全是两码事。另一方面，同学里高手如云，好多人早已熟悉要学习的这些大学知识。在大一期终考试后，江雪有些迷茫，甚至怀疑自己可能不是学物理的料。
“但想来想去，又觉得坚持把物理学好，把专业知识学好，才对得起自己的选择。”但当她深入学习过程中后，她发现一旦接受了这门学科，找准了自己的任务后，也没有了排斥心理，“也可能是因为花了很多时间，领悟了之后，心理上也就不会畏惧了，反而乐在其中。”在回忆这段学习经历时，江雪觉得最重要的是“坚持”，而这也是日后帮助她成为一名科研工作者的重要素养。
“当我认识到这是一个必须迈过去的坎时，我就会毫不犹豫地迈过去。”江雪说，“最重要的是在遇见挫败时，调整心态，调整方式方法。我们要做的是持续性研究，应该关注的是长期目标，而不是眼前一两次成败，但不能一直被同一个坑绊倒，遇到问题时也可以去找别人交流，借鉴别人的所长。”
在确定声学为自己的研究方向后，江雪继续完成了南京大学和加州大学伯克利分校的联合培养博士研究。在这一阶段，她参与了提出声学克莱因隧穿、声波轨道角动量、非厄密奇异扭结等一系列新奇的物理效应的研究。
做医学和声学之间的联系者
江雪认为水下声学通信和医学超声是声学研究的两个非常重要的方向，因为声学在这两个领域有不可替代的独特优势。
就医学超声而言，一方面超声的穿透深度比较深，更重要的是没有电磁辐射，在医学领域中有着无可比拟的优势；在水下通信领域，因为电磁波或光波在海洋受到较大限制，声波却如鱼得水，“为什么海底是一片黑暗？因为光透不进去，没有办法在里面传播，但声波不会，比如海豚可以通过声纳在海下做顺畅的远距离交流，这就是因为声波在水下可以畅通无阻地传播。这也是人类现在探索海洋的一个主要方法。”
2019年，香港浸会大学的博士后结束，江雪进入复旦大学生物医学工程中心任青年副研究员。这对江雪来说，是学术生涯中的一个非常重要的转折点，“我的研究方向开始从物理声学研究转向偏医学超声的应用研究，开展基础与应用的联合研究。”
江雪目前的研究主要考虑用声学人工结构来实现更好的超声成像和治疗效果。超声成像的核心关注点在分辨率和效率。对于声波来说，因为其波长比光波波长大很多，所以声波很难达到光学成像的分辨率，提高声波的分辨率就成为必要选择。
“我想到用之前物理声学领域的声学人工结构来实现对声波的更精细操控，当有了更好的聚焦效果后，就可以提高其成像分辨率”，江雪说。除了成像，声波的聚焦能力也体现在超声刀完成乳腺癌和宫颈癌的肿瘤切割上，其原理就是利用超高强度的聚焦超声，用温度温升效应损坏局部肿瘤及局部癌细胞，同时不影响正常细胞。
正摸索在基础与应用联合探索的道路上，对于应用研究的难点，江雪深有体会，她觉得主要难点在于如何搭建起基础研究和应用研究学科间的有效沟通渠道。“要让基础研究成果能够落地在应用上，需要我们和实际应用场景的专家们接触，真正理解他们所面临的问题，而不是我们想象出来的问题。”现在，江雪更注重与医生的沟通，学习用医生的语言来描述他们的问题，将不同领域之间的问题相互转换，做好医学和声学两个学科之间的翻译者。
此外，在江雪看来，基础研究的应用化落地还需要不同学科的交叉探索，比如医学中的影像设备，其中既有声学问题，还有软硬件架构、材料研发、器件制备、图像处理、临床测试应用等复杂问题，“不同基础学科的综合发展和交叉融合，才会真正促成高端医疗设备产业的发展。”
本文系上海科技与澎湃科技联合推出的“正自广阔：上海科技青年35人引领计划追光报道”系列之一。敬请垂注更多后续报道。
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