水波是一種經(jīng)典的波動形式，因其簡單的實(shí)驗(yàn)可操作性而廣泛應(yīng)用于流體動力學(xué)、微流體學(xué)等領(lǐng)域。與傳統(tǒng)的聲波、光波等不同，水波在物理實(shí)驗(yàn)中易于實(shí)現(xiàn)，且能夠提供豐富的拓?fù)涮匦浴＝陙?，水波的結(jié)構(gòu)化研究逐漸受到關(guān)注，尤其是拓?fù)渌ǖ膽?yīng)用前景。
拓?fù)洳ńY(jié)構(gòu)（如渦旋、極化紋理、斯格明子等）在光學(xué)和聲學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用已取得顯著進(jìn)展，并且在量子信息、天體物理學(xué)和微粒操控等領(lǐng)域展示了強(qiáng)大的潛力。然而，盡管拓?fù)渌ㄅc這些波動系統(tǒng)有著一定的類比，系統(tǒng)性研究仍然較為匱乏，尤其是在水波操作微粒方面的應(yīng)用尚未得到充分驗(yàn)證。因此，如何有效控制水波的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并將其應(yīng)用于微粒操控，成為了當(dāng)前的研究挑戰(zhàn)。
為了解決這一問題，復(fù)旦大學(xué)資劍/石磊團(tuán)隊(duì)、新加坡南洋理工大學(xué)申藝杰助理教授以及日本理化學(xué)研究所RIKEN量子計(jì)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。
該團(tuán)隊(duì)成功設(shè)計(jì)并制備了具有不同拓?fù)潆姾傻乃ńY(jié)構(gòu)，包括波渦旋、斯格明子和極化莫比烏斯環(huán)。他們通過適當(dāng)?shù)牟▌痈缮媾渲?，成功生成了這些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并探索了它們在水波中的控制方法。尤其在浮動顆粒的操控方面，研究團(tuán)隊(duì)利用水波的結(jié)構(gòu)化特性，顯著提高了顆粒操控的效率。通過實(shí)驗(yàn)，他們觀察到在高強(qiáng)度水波區(qū)域，顆粒能夠穩(wěn)定地被捕獲并沿著水波的相位梯度和軌道運(yùn)動。
此外，團(tuán)隊(duì)還成功地實(shí)現(xiàn)了類似于光學(xué)和聲學(xué)波動的力矩效應(yīng)，利用水波的自旋密度和軌道角動量有效地操控了浮動顆粒的軌道和自旋運(yùn)動。這些進(jìn)展不僅為拓?fù)渌ǖ难芯刻峁┝诵碌膶?shí)驗(yàn)平臺，也為未來在流體動力學(xué)和微流體學(xué)中的應(yīng)用提供了理論依據(jù)和技術(shù)支持。
（1）實(shí)驗(yàn)首次在重力水波中可控生成拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如波渦旋、斯格明子和極化莫比烏斯環(huán)，展示了水波的拓?fù)涮匦浴?/span>
（2）實(shí)驗(yàn)通過三波干涉，成功地在水面波中生成了具有不同拓?fù)潆姾傻呢惾麪栃蜏u旋。
（3）通過系統(tǒng)研究，實(shí)驗(yàn)揭示了拓?fù)渌ㄔ诓僮鞲宇w粒中的應(yīng)用，顆粒在高波強(qiáng)度區(qū)被困住，并通過水波的軌道和自旋角動量控制其運(yùn)動。
（4）實(shí)驗(yàn)顯示，水波中的梯度力、輻射壓力力和自旋密度力矩都能有效操控浮動顆粒的軌跡和自旋運(yùn)動，展現(xiàn)出與光學(xué)和聲學(xué)波類似的操控機(jī)制。
圖 2：三波干涉圖案中的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
圖 3：生成具有不同拓?fù)潆姾傻呢惾麪栃退u旋。
圖 4：貝塞爾渦旋水波中浮動顆粒的動力學(xué)。
圖 5：三波干涉晶格中第一階渦旋周圍浮動顆粒的動力學(xué)。
本文的研究為拓?fù)渌ńY(jié)構(gòu)的操控與應(yīng)用開辟了新的前景，特別是在流體力學(xué)和微流體學(xué)領(lǐng)域。通過可控生成不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的水波，如渦旋、斯格明子和極化莫比烏斯環(huán)，研究者不僅展示了這些結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和魯棒性，還揭示了水波在操控浮動顆粒方面的潛力。這一發(fā)現(xiàn)提示我們，水波的拓?fù)湫再|(zhì)可以與光學(xué)和聲學(xué)操控技術(shù)相媲美，成為下一代粒子操控技術(shù)的有效工具。
特別是，毛細(xì)水波的應(yīng)用前景令人振奮，能夠在微流體學(xué)中進(jìn)行生物醫(yī)學(xué)物體的精確操控，為液體動力學(xué)研究提供了新思路。水波在波長范圍上的優(yōu)勢，使其能夠覆蓋從毫米到厘米的較大尺度，拓寬了操控顆粒的應(yīng)用領(lǐng)域。此外，拓?fù)渑c非線性之間的相互作用、多頻率和時空結(jié)構(gòu)化水波的研究，也為未來的研究提供了豐富的方向。這項(xiàng)工作為拓?fù)洳▌恿W(xué)研究和流體力學(xué)領(lǐng)域的進(jìn)一步探索提供了理論基礎(chǔ)和實(shí)驗(yàn)平臺，具有重要的科學(xué)啟迪和技術(shù)應(yīng)用價值。
Wang, B., Che, Z., Cheng, C. et al. Topological water-wave structures manipulating particles. Nature (2025).
原創(chuàng)文章，作者：zhan1，如若轉(zhuǎn)載，請注明來源華算科技，注明出處：http://www.xiubac.cn/index.php/2025/02/08/0d55dfe99a/
-透明背底.png)