利用水波拓扑结构操控粒子，复旦团队国际合作研究登上《自然》

把一块石子抛入湖中，水面上会泛起朵朵涟漪。科学家们发现，水波涉及复杂的流体力学效应，能够构造丰富的拓扑矢量场用于粒子的操控。

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《自然》（Nature）杂志发表题为“Topological water-wave structures manipulating particles（利用水波拓扑结构操控粒子）”的研究成果。

研究成果发表于《自然》（Nature）。 本文图片均来源于 复旦大学

此次研究突破使水波成为探索拓扑物理的全新平台，不仅深化了人们对经典重力波系统中的矢量特性理解，揭示了其中自旋轨道耦合和锁定机制，也开辟了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。拓扑在材料科学、量子物理及光学领域的广泛应用，推动了科学技术的深刻变革。近年来，拓扑效应逐步被引入电磁波、声波以及液体表面波（水波）等经典波动体系。

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。事实上，这些粒子除了进行上下运动，还有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？这些问题一直以来是学界悬而未决的难题，亟待掌握明确的方法来测定和控制水波场空间各处的振幅和相位等具体参数。

在简单的三波干涉场中，复旦大学资剑团队成功生成了多种拓扑水波结构，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。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。

实验上生成和观测到的拓扑水波结构。

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。平台涵盖波场生成、光学测量和数据分析等模块，能全面获取液体表面波的多维度定量信息。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。

利用液体表面波拓扑结构实现对漂浮粒子的多维度运动控制，成为研究的一个重要创新点。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等。

在水面上实现对粒子的自由操控，让高深的物理概念能在一个简单系统里肉眼可见。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。这为基于拓扑物理的粒子操控技术奠定了坚实的理论和实验基础。

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。

该研究的通讯作者包括复旦大学资剑教授、石磊教授，西班牙圣赛瓦斯蒂安国际理论物理中心Konstantin Y. Bliokh教授以及南洋理工大学申艺杰教授。共同第一作者为复旦大学访问学者、河南大学王博研究员与复旦大学物理学系博士后车治辕博士。复旦大学物理学系研究生程澄、河南大学研究生童彩丽也在实验和数据分析中做出了重要贡献。