研究背景
拓撲波結(jié)構(gòu)，如渦旋、極化紋理和斯格明子，出現(xiàn)在包括光學和聲學在內(nèi)的各種量子和經(jīng)典波場中。特別是，光學渦旋已經(jīng)在量子信息到天體物理學等多個領(lǐng)域找到了廣泛應(yīng)用。此外，光學和聲學結(jié)構(gòu)化波在操作微小顆粒（從原子到宏觀生物物體）方面也至關(guān)重要。
最近，結(jié)構(gòu)化水面波引起了廣泛關(guān)注，它們可以作為量子、光學和聲學波系統(tǒng)的重要類比。然而，拓撲水波形，特別是在操作顆粒方面的能力，尚未得到展示。
為了解決這一問題，復(fù)旦大學資劍教授/石磊團隊、新加坡南洋理工大學申藝杰助理教授以及日本理化學研究所RIKEN量子計算研究中心Konstantin Y. Bliokh等人合作在“Nature”期刊上發(fā)表了題為“Topological water-wave structures manipulating particles”的最新論文。本文描述了在重力水波中可控生成拓撲結(jié)構(gòu)，即波渦旋、斯格明子和極化莫比烏斯環(huán)。最重要的是，作者展示了通過拓撲結(jié)構(gòu)化水波高效操作亞波長和波長級浮動顆粒。
這包括將顆粒捕獲在高強度場區(qū)，并通過水波的軌道和自旋角動量控制其軌道和自旋運動。作者的結(jié)果揭示了水波在光學和聲學操控中的對應(yīng)物，為流體動力學和微流體學應(yīng)用開辟了道路。
研究亮點
1）實驗首次在重力水波中可控生成拓撲結(jié)構(gòu)，得到了波渦旋、斯格明子和極化莫比烏斯環(huán)。這些拓撲結(jié)構(gòu)與光學和聲學波系統(tǒng)中的類似結(jié)構(gòu)具有相似的動態(tài)特性。
2）實驗通過三平面波的干涉生成了不同拓撲的水波結(jié)構(gòu)，如第一階渦旋、斯格明子以及純圓極化C點，并通過適當?shù)母缮媾渲脤崿F(xiàn)了結(jié)構(gòu)化水面波的控制。實驗還通過幾何分布的波干涉產(chǎn)生了具有可控拓撲電荷的貝塞爾型水波渦旋。
3）通過結(jié)構(gòu)化水波，實驗高效操作了宏觀浮動顆粒，觀察到了類似于光學和聲學操控中的力學效應(yīng)。顆粒被梯度力捕捉在高波強度區(qū)域，并通過“輻射壓力”力沿局部相位梯度推動，此外，水波中的自旋密度產(chǎn)生了對顆粒的力矩效應(yīng)。
圖文解讀
圖 1：線性水波及其主要局部特性。
圖 2：三波干涉圖案中的拓撲結(jié)構(gòu)。
圖 3：生成具有不同拓撲電荷的貝塞爾型水波渦旋。
圖 4：貝塞爾渦旋水波中浮動顆粒的動力學。
圖 5：三波干涉晶格中第一階渦旋周圍浮動顆粒的動力學。
結(jié)論展望
本文展示了拓撲水波結(jié)構(gòu)的可控生成，包括具有不同拓撲電荷的渦旋、斯格明子和極化莫比烏斯環(huán)。作者的實驗證明了這些結(jié)構(gòu)的魯棒性，例如，與在三波干涉圖案中“破裂”的自旋梅龍相比，水波結(jié)構(gòu)展現(xiàn)出了更強的穩(wěn)定性。最重要的是，作者揭示了這些結(jié)構(gòu)化水波的顯著動態(tài)特性，并展示了它們操控不同大小浮動顆粒的能力，包括穩(wěn)定捕獲以及軌道和自旋旋轉(zhuǎn)。
作者的研究為波誘導(dǎo)力學提供了一個新的平臺，可以將成熟的光學和聲學操控技術(shù)推廣到流體力學領(lǐng)域。特別是，毛細水波可以用于生物醫(yī)學物體的微流體操控，類似于目前使用的聲波。盡管光學操控使用的波長通常在微米級，聲學操控的波長范圍在幾十微米到毫米之間，而水波可以有效地利用毫米到厘米甚至更大的波長范圍，甚至到達龐大的海洋波。
這項工作只是朝著這一方向邁出的第一步。未來的發(fā)展可能包括更詳細地考慮結(jié)構(gòu)化水波與浮動顆粒之間的相互作用，利用水波對具有不同特性的顆粒進行分類，水波中固有的拓撲與非線性之間的相互作用，考慮多頻率和時空結(jié)構(gòu)化水波等。
原文詳情：
Wang, B., Che, Z., Cheng, C. et al. Topological water-wave structures manipulating particles. Nature (2025).
https://doi.org/10.1038/s41586-024-08384-y
