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北京时间2月6日凌晨(chen)，复旦大学物理学系资(zi)剑教授、石磊教授团队联合河南大学、新加坡南洋理工大学、西班(ban)牙(ya)圣赛瓦斯蒂安国(guo)际理论物理中心等研究机构，在(zai)Nature（《自然》）发表题为“Topological water-wave structures manipulating particles（利用水波拓扑结(jie)构操控粒子）”的研究成果。
此次科(ke)研突破，使水波成为探索拓扑物理的全新平台，深化了学界对经典重力波系统中的矢量特性理解，揭示其中自旋轨道耦合和锁定机制，并(bing)开(kai)辟水波力操控物体运动的研究领域。
拓扑学是物理学界普遍(bian)关注的研究方向。近年来，拓扑效(xiao)应(ying)被逐步引入电磁波、声(sheng)波及液体表面波（水波）等经典波动体系，成为了基础物理研究与应(ying)用技术(shu)的全新交汇点。
在(zai)传统意(yi)义上，水波被简化为一种横波，波动中的粒子仅(jin)进行上下运动。但这些粒子除(chu)了进行上下运动，还有(you)更为复杂的椭圆轨迹运动，具有(you)显著的斯托克斯位移效(xiao)应(ying)和矢量特性。如何控制这些波动？如何形成特定的拓扑结(jie)构并(bing)加以利用？上述问(wen)题是学界悬而未(wei)决的难题。
复旦大学光子晶(jing)体课题组长期致力于光子晶(jing)体、结(jie)构色、相(xiang)控阵天线、拓扑光学及液体表面波等领域的前沿研究。在(zai)简单的三波干(gan)涉(she)场中，资(zi)剑团队成功生成多种拓扑水波结(jie)构，包(bao)括位移场中的相(xiang)位涡旋、Skyrmion晶(jing)格、自旋密度场中的Meron晶(jing)格、局部水面粒子的圆偏(pian)振奇点以及莫比乌斯环(huan)等，利用液体表面波相(xiang)控阵技术(shu)干(gan)涉(she)构造不同阶的贝塞尔型水波涡旋场，观测到了位移场高阶相(xiang)位涡旋以及嵌套斯格明子（如图1所示）。研究成果系统揭示了拓扑学在(zai)水波体系中的丰(feng)富表现形式，为深入探讨经典波动体系中的拓扑效(xiao)应(ying)提(ti)供了重要的理论和实验依据。
图1：实验上生成和观测到的拓扑水波结(jie)构
（a）水波位移场Skyrmions, 自旋密度场Merons和偏(pian)振奇点与莫比乌斯环(huan)。（b）具有(you)不同拓扑荷的贝塞尔型水波涡旋，自旋和轨道角动量垂直分量具有(you)锁定关系。
团队自主开(kai)发了一套先进的液体表面波实验观测平台，以及针对液体表面波任(ren)意(yi)调控的相(xiang)控阵技术(shu)。基于这一平台，研究人员可以在(zai)液体表面波的任(ren)何一个空间位置，精细控制液体表面质元的三维运动。团队首次实现了包(bao)括基于液体表面波梯度力的亚波长粒子捕获，由局部波动动量驱动的粒子推进与轨道运动，由局部自旋密度引发的粒子自旋运动（如图2所示）等。
图2：拓扑结(jie)构水波粒子操控实验：可实现对悬浮粒子的捕获、轨道和自旋运动，甚至可驱动乒(ping)乓球做轨道运动。
这一突破性成果首次证明了拓扑水波场在(zai)粒子精准操控中的应(ying)用潜力，揭示了通(tong)过调控波场的拓扑特性，可以实现粒子更加稳定且灵活的控制。
据了解，团队还计划把前沿科(ke)研成果引入中学课堂。当前团队正在(zai)开(kai)发相(xiang)对简化的、面向基础教育的实验平台，激发学生们的探索兴趣(qu)。该教学平台不仅(jin)能涵盖折射、反射和透射等中学物理概念，还能够呈现更复杂的相(xiang)位关系，为课堂带来高质量的实验效(xiao)果。
下一步，团队计划持续(xu)优化实验平台，深入研究拓扑水波结(jie)构中更丰(feng)富的物理特性，探索拓扑水波在(zai)粒子操控、机器人控制、水面漂浮物治理以及水能利用等领域的潜在(zai)应(ying)用，并(bing)为光学、声(sheng)学等学科(ke)中的拓扑结(jie)构波研究提(ti)供更多理论支持和实验依据。
来源：上海杨浦