拓撲波結構，如漩渦、偏振結構和skyrmions，出現在各種量子和經典波場中，包括光學和聲學。特別是，光學渦旋已經發現了許多應用，從量子資訊到天體物理學。此外，光結構波和聲結構波在操縱小粒子(從原子到宏觀生物物體)中至關重要。最近，對結構化水面波的興趣激增，這可能是量子、光學和聲波系統的顯著類似物。然而，拓撲水波的形式，特別是他們操縱粒子的能力，還沒有被證明。
2025年2月5日，復旦大學資劍、石磊、西班牙聖賽瓦斯蒂安國際理論物理中心Konstantin Y. Bliokh、南洋理工大學申藝傑共同通訊在Nature線上發表題為“Topological water-wave structures manipulating particles”的研究論文，該研究報道了操縱粒子的拓撲水波結構。
該研究描述了在重力水波中拓撲結構的可控生成，即波渦、天空離子和極化莫比烏斯帶。最重要的是，用拓撲結構的水波展示了亞波長和波長級漂浮粒子的有效操縱。這包括將粒子捕獲在高強度場區，並由於水波的軌道和自旋角動量而控制它們的軌道和自旋運動。該結果揭示了光學和聲學操縱的水波對應物，這為流體力學和微流體學的應用鋪平了道路。
線性平面波是沿一個方向傳播的正弦振盪，其特徵在於幾個關鍵引數:振幅、相位、頻率、波矢和偏振。這些同樣適用於聲波、電磁波、量子波和流體動力波。然而，當幾個平面波干涉時，產生的結構場變得相當複雜，因此它的振幅、相位和極化可以從點到點任意變化。對於這種複雜的波場，拓撲性質，對小擾動魯棒，變得相關。傳統意義上，水波被簡化為一種橫波，波動中的粒子僅進行上下運動。事實上，這些粒子除了進行上下運動，還有複雜的橢圓軌跡運動，具有顯著的斯托克斯位移效應和向量特性。
在簡單的三波干涉場中，研究團隊成功生成了多種拓撲水波結構，包括位移場中的相位渦旋、skyrmion晶格、自旋密度場中的meron晶格、區域性水面粒子的圓偏振奇點以及莫比烏斯環等，利用液體表面波相控陣技術干涉構造不同階的貝塞爾型水波渦旋場，觀測到了位移場高階相位渦旋以及巢狀斯格明子（如圖1所示）。研究成果系統揭示了拓撲學在水波體系中的豐富表現形式，為深入探討經典波動體系中的拓撲效應提供了重要的理論和實驗依據。
線性水波及其主要區域性特徵（圖源自Nature）
該研究自主開發了一套先進的液體表面波實驗觀測平臺，以及針對液體表面波任意調控的相控陣技術。平臺涵蓋波場生成、光學測量和資料分析等模組，能全面獲取液體表面波的多維度定量資訊。基於這一平臺，研究人員可以在液體表面波的任何一個空間位置，精細控制液體表面質元的三維運動。研究人員首次實現了包括基於液體表面波梯度力的亞波長粒子捕獲，由區域性波動動量驅動的粒子推進與軌道運動，由區域性自旋密度引發的粒子自旋運動。
參考訊息：
https://www.nature.com/articles/s41586-024-08384-y
