北京时间2月6日凌晨，复旦大学物理学系资剑教授、石磊教授团队联合河南大学、新加坡南洋理工大学、西班牙圣赛瓦斯蒂安国际理论物理中心等研究机构，在Nature（《自然》）发表题为“Topological water-wave structures manipulating particles（利用水波拓扑结构操控粒子）”的研究成果。

此次科研突破，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，并开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关注的研究方向。近年来，拓扑效应被逐步引入电磁波、声波及液体表面波（水波）等经典波动体系，成为了基础物理研究与应用技术的全新交汇点。

在传统意义上，水波被简化为一种横波，波动中的粒子仅进行上下运动。但这些粒子除了进行上下运动，还有更为复杂的椭圆轨迹运动，具有显著的斯托克斯位移效应和矢量特性。如何控制这些波动？如何形成特定的拓扑结构并加以利用？上述问题是学界悬而未决的难题。

复旦大学光子晶体课题组长期致力于光子晶体、结构色、相控阵天线、拓扑光学及液体表面波等领域的前沿研究。在简单的三波干涉场中，资剑团队成功生成多种拓扑水波结构，包括位移场中的相位涡旋、Skyrmion晶格、自旋密度场中的Meron晶格、局部水面粒子的圆偏振奇点以及莫比乌斯环等，利用液体表面波相控阵技术干涉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水波体系中的丰富表现形式，为深入探讨经典波动体系中的拓扑效应提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构

（a）水波位移场Skyrmions, 自旋密度场Merons和偏振奇点与莫比乌斯环。（b）具有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锁定关系。

团队自主开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意调控的相控阵技术。基于这一平台，研究人员可以在液体表面波的任何一个空间位置，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粒子精准操控中的应用潜力，揭示了通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研成果引入中学课堂。当前团队正在开发相对简化的、面向基础教育的实验平台，激发学生们的探索兴趣。该教学平台不仅能涵盖折射、反射和透射等中学物理概念，还能够呈现更复杂的相位关系，为课堂带来高质量的实验效果。

下一步，团队计划持续优化实验平台，深入研究拓扑水波结构中更丰富的物理特性，探索拓扑水波在粒子操控、机器人控制、水面漂浮物治理以及水能利用等领域的潜在应用，并为光学、声学等学科中的拓扑结构波研究提供更多理论支持和实验依据。

来源：上海杨浦