把一塊石子拋入湖中，水面上會(huì)泛起朵朵漣漪。科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，水波涉及復(fù)雜的流體力學(xué)效應(yīng)，能夠構(gòu)造豐富的拓?fù)涫噶繄?chǎng)用于粒子的操控。

北京時(shí)間2月6日凌晨，復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系資劍教授、石磊教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合河南大學(xué)、新加坡南洋理工大學(xué)、西班牙圣賽瓦斯蒂安國(guó)際理論物理中心等研究機(jī)構(gòu)在《自然》（Nature）雜志發(fā)表題為“Topological water-wave structures manipulating particles（利用水波拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)操控粒子）”的研究成果。

研究成果發(fā)表于《自然》（Nature）。 本文圖片均來(lái)源于 復(fù)旦大學(xué)

此次研究突破使水波成為探索拓?fù)湮锢淼娜缕脚_(tái)，不僅深化了人們對(duì)經(jīng)典重力波系統(tǒng)中的矢量特性理解，揭示了其中自旋軌道耦合和鎖定機(jī)制，也開辟了水波力操控物體運(yùn)動(dòng)的研究領(lǐng)域。

拓?fù)鋵W(xué)是物理學(xué)界普遍關(guān)注的研究方向。拓?fù)湓诓牧峡茖W(xué)、量子物理及光學(xué)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，推動(dòng)了科學(xué)技術(shù)的深刻變革。近年來(lái)，拓?fù)湫?yīng)逐步被引入電磁波、聲波以及液體表面波（水波）等經(jīng)典波動(dòng)體系。

傳統(tǒng)意義上，水波被簡(jiǎn)化為一種橫波，波動(dòng)中的粒子僅進(jìn)行上下運(yùn)動(dòng)。事實(shí)上，這些粒子除了進(jìn)行上下運(yùn)動(dòng)，還有復(fù)雜的橢圓軌跡運(yùn)動(dòng)，具有顯著的斯托克斯位移效應(yīng)和矢量特性。

如何控制這些波動(dòng)？如何形成特定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并加以利用？這些問題一直以來(lái)是學(xué)界懸而未決的難題，亟待掌握明確的方法來(lái)測(cè)定和控制水波場(chǎng)空間各處的振幅和相位等具體參數(shù)。

在簡(jiǎn)單的三波干涉場(chǎng)中，復(fù)旦大學(xué)資劍團(tuán)隊(duì)成功生成了多種拓?fù)渌ńY(jié)構(gòu)，包括位移場(chǎng)中的相位渦旋、Skyrmion晶格、自旋密度場(chǎng)中的Meron晶格、局部水面粒子的圓偏振奇點(diǎn)以及莫比烏斯環(huán)等，利用液體表面波相控陣技術(shù)干涉構(gòu)造不同階的貝塞爾型水波渦旋場(chǎng)，觀測(cè)到了位移場(chǎng)高階相位渦旋以及嵌套斯格明子。研究成果系統(tǒng)揭示了拓?fù)鋵W(xué)在水波體系中的豐富表現(xiàn)形式，為深入探討經(jīng)典波動(dòng)體系中的拓?fù)湫?yīng)提供了重要的理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

實(shí)驗(yàn)上生成和觀測(cè)到的拓?fù)渌ńY(jié)構(gòu)。

團(tuán)隊(duì)自主開發(fā)了一套先進(jìn)的液體表面波實(shí)驗(yàn)觀測(cè)平臺(tái)，以及針對(duì)液體表面波任意調(diào)控的相控陣技術(shù)。平臺(tái)涵蓋波場(chǎng)生成、光學(xué)測(cè)量和數(shù)據(jù)分析等模塊，能全面獲取液體表面波的多維度定量信息?；谶@一平臺(tái)，研究人員可以在液體表面波的任何一個(gè)空間位置，精細(xì)控制液體表面質(zhì)元的三維運(yùn)動(dòng)。

利用液體表面波拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)漂浮粒子的多維度運(yùn)動(dòng)控制，成為研究的一個(gè)重要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)。團(tuán)隊(duì)首次實(shí)現(xiàn)了包括基于液體表面波梯度力的亞波長(zhǎng)粒子捕獲，由局部波動(dòng)動(dòng)量驅(qū)動(dòng)的粒子推進(jìn)與軌道運(yùn)動(dòng)，由局部自旋密度引發(fā)的粒子自旋運(yùn)動(dòng)等。

在水面上實(shí)現(xiàn)對(duì)粒子的自由操控，讓高深的物理概念能在一個(gè)簡(jiǎn)單系統(tǒng)里肉眼可見。這一突破性成果首次證明了拓?fù)渌▓?chǎng)在粒子精準(zhǔn)操控中的應(yīng)用潛力，揭示了通過調(diào)控波場(chǎng)的拓?fù)涮匦裕梢詫?shí)現(xiàn)粒子更加穩(wěn)定且靈活的控制。這為基于拓?fù)湮锢淼牧Ｗ硬倏丶夹g(shù)奠定了堅(jiān)實(shí)的理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)水波粒子操控實(shí)驗(yàn)：可實(shí)現(xiàn)對(duì)懸浮粒子的捕獲、軌道和自旋運(yùn)動(dòng)，甚至可驅(qū)動(dòng)乒乓球做軌道運(yùn)動(dòng)。

該研究的通訊作者包括復(fù)旦大學(xué)資劍教授、石磊教授，西班牙圣賽瓦斯蒂安國(guó)際理論物理中心Konstantin Y. Bliokh教授以及南洋理工大學(xué)申藝杰教授。共同第一作者為復(fù)旦大學(xué)訪問學(xué)者、河南大學(xué)王博研究員與復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系博士后車治轅博士。復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系研究生程澄、河南大學(xué)研究生童彩麗也在實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析中做出了重要貢獻(xiàn)。