把一塊石子拋入湖中，水面上會泛起朵朵漣漪?？茖W(xué)家們發(fā)現(xiàn)，水波涉及復(fù)雜的流體力學(xué)效應(yīng)，能夠構(gòu)造豐富的拓?fù)涫噶繄鲇糜诹Ｗ拥牟倏亍?/p>

北京時間2月6日凌晨，復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系資劍教授、石磊教授團(tuán)隊聯(lián)合河南大學(xué)、新加坡南洋理工大學(xué)、西班牙圣賽瓦斯蒂安國際理論物理中心等研究機(jī)構(gòu)在《自然》（Nature）雜志發(fā)表題為“Topological water-wave structures manipulating particles（利用水波拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)操控粒子）”的研究成果。

研究成果發(fā)表于《自然》（Nature）。 本文圖片均來源于 復(fù)旦大學(xué)

此次研究突破使水波成為探索拓?fù)湮锢淼娜缕脚_，不僅深化了人們對經(jīng)典重力波系統(tǒng)中的矢量特性理解，揭示了其中自旋軌道耦合和鎖定機(jī)制，也開辟了水波力操控物體運(yùn)動的研究領(lǐng)域。

拓?fù)鋵W(xué)是物理學(xué)界普遍關(guān)注的研究方向。拓?fù)湓诓牧峡茖W(xué)、量子物理及光學(xué)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，推動了科學(xué)技術(shù)的深刻變革。近年來，拓?fù)湫?yīng)逐步被引入電磁波、聲波以及液體表面波（水波）等經(jīng)典波動體系。

傳統(tǒng)意義上，水波被簡化為一種橫波，波動中的粒子僅進(jìn)行上下運(yùn)動。事實上，這些粒子除了進(jìn)行上下運(yùn)動，還有復(fù)雜的橢圓軌跡運(yùn)動，具有顯著的斯托克斯位移效應(yīng)和矢量特性。

如何控制這些波動？如何形成特定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并加以利用？這些問題一直以來是學(xué)界懸而未決的難題，亟待掌握明確的方法來測定和控制水波場空間各處的振幅和相位等具體參數(shù)。

在簡單的三波干涉場中，復(fù)旦大學(xué)資劍團(tuán)隊成功生成了多種拓?fù)渌ńY(jié)構(gòu)，包括位移場中的相位渦旋、Skyrmion晶格、自旋密度場中的Meron晶格、局部水面粒子的圓偏振奇點以及莫比烏斯環(huán)等，利用液體表面波相控陣技術(shù)干涉構(gòu)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嵌套斯格明子。研究成果系統(tǒng)揭示了拓?fù)鋵W(xué)在水波體系中的豐富表現(xiàn)形式，為深入探討經(jīng)典波動體系中的拓?fù)湫?yīng)提供了重要的理論和實驗依據(jù)。

實驗上生成和觀測到的拓?fù)渌ńY(jié)構(gòu)。

團(tuán)隊自主開發(fā)了一套先進(jìn)的液體表面波實驗觀測平臺，以及針對液體表面波任意調(diào)控的相控陣技術(shù)。平臺涵蓋波場生成、光學(xué)測量和數(shù)據(jù)分析等模塊，能全面獲取液體表面波的多維度定量信息。基于這一平臺，研究人員可以在液體表面波的任何一個空間位置，精細(xì)控制液體表面質(zhì)元的三維運(yùn)動。

利用液體表面波拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實現(xiàn)對漂浮粒子的多維度運(yùn)動控制，成為研究的一個重要創(chuàng)新點。團(tuán)隊首次實現(xiàn)了包括基于液體表面波梯度力的亞波長粒子捕獲，由局部波動動量驅(qū)動的粒子推進(jìn)與軌道運(yùn)動，由局部自旋密度引發(fā)的粒子自旋運(yùn)動等。

在水面上實現(xiàn)對粒子的自由操控，讓高深的物理概念能在一個簡單系統(tǒng)里肉眼可見。這一突破性成果首次證明了拓?fù)渌▓鲈诹Ｗ泳珳?zhǔn)操控中的應(yīng)用潛力，揭示了通過調(diào)控波場的拓?fù)涮匦?，可以實現(xiàn)粒子更加穩(wěn)定且靈活的控制。這為基于拓?fù)湮锢淼牧Ｗ硬倏丶夹g(shù)奠定了堅實的理論和實驗基礎(chǔ)。

拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)水波粒子操控實驗：可實現(xiàn)對懸浮粒子的捕獲、軌道和自旋運(yùn)動，甚至可驅(qū)動乒乓球做軌道運(yùn)動。

該研究的通訊作者包括復(fù)旦大學(xué)資劍教授、石磊教授，西班牙圣賽瓦斯蒂安國際理論物理中心Konstantin Y. Bliokh教授以及南洋理工大學(xué)申藝杰教授。共同第一作者為復(fù)旦大學(xué)訪問學(xué)者、河南大學(xué)王博研究員與復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系博士后車治轅博士。復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系研究生程澄、河南大學(xué)研究生童彩麗也在實驗和數(shù)據(jù)分析中做出了重要貢獻(xiàn)。