央廣網(wǎng)上海2月6日消息（記者沈梅）一顆石子投入平靜的湖面，水面上會泛起朵朵漣漪。人們普遍認(rèn)為，水波是水面的上下振動，波的傳播方向與水面振動方向垂直。然而，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)涫噶繄鲇糜诹Ｗ拥牟倏亍?/p>

北京時間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際理論物理中心等研究機(jī)構(gòu)在Nature（《自然》）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。

此次研究突破使水波成為探索拓?fù)湮锢淼娜�新平臺，不僅深化了人們對經(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)動的研究領(lǐng)域。

研究成果在Nature（《自然》）發(fā)表 （央廣網(wǎng)發(fā) 受訪方供圖）

二十年深耕：從理論到精準(zhǔn)操控

拓?fù)鋵W(xué)是物理學(xué)界普遍關(guān)注的研究方向。近年來，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)典波動體系，極大地拓展了這一領(lǐng)域的研究深度與廣度，成為基礎(chǔ)物理研究與應(yīng)用技術(shù)的全新交匯點(diǎn)。

復(fù)旦大學(xué)光子晶體課題組長期致力于光子晶體、結(jié)構(gòu)色、相控陣天線、拓?fù)涔鈱W(xué)及液體表面波等領(lǐng)域的前沿研究。早在2003年，課題組組長資劍教授將人工帶隙材料的概念引入液體表面波系統(tǒng)，開始系統(tǒng)研究如何利用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對液體表面波的調(diào)控，包括水等各種液態(tài)物質(zhì)表面的波動現(xiàn)象，是國際上最早提出并探索液體表面波調(diào)控可能性的研究者之一。團(tuán)隊不僅提出了水波中人工結(jié)構(gòu)能帶理論與等效介質(zhì)理論，還通過實(shí)驗觀測到一系列獨(dú)特的物理效應(yīng)，如水波超透鏡（2003）、自準(zhǔn)直效應(yīng)（2005）、以及水波時空渦旋（2024）等，成果曾被Nature關(guān)注和報道。

傳統(tǒng)意義上，水波被簡化為一種橫波，波動中的粒子僅進(jìn)行上下運(yùn)動。事實(shí)上，這些粒子除了進(jìn)行上下運(yùn)動，還有復(fù)雜的橢圓軌跡運(yùn)動，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？如何形成特定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并加以利用？

在簡單的三波干涉場中，資劍團(tuán)隊成功生成了多種拓?fù)渌�波結(jié)構(gòu)，包括位移場中的相位渦旋、Skyrmion晶格、自旋密度場中的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，觀測到了位移場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)典波動體系中的拓?fù)湫��?yīng)提供了重要的理論和實(shí)驗依據(jù)。

實(shí)驗上生成和觀測到的拓?fù)渌�波結(jié)構(gòu) （央廣網(wǎng)發(fā) 受訪方供圖）

團(tuán)隊自主開發(fā)了一套先進(jìn)的液體表面波實(shí)驗觀測平臺，以及針對液體表面波任意調(diào)控的相控陣技術(shù)。平臺涵蓋波場生成、光學(xué)測量和數(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�；�于這一平臺，研究人員可以在液體表面波的任何一個空間位置，精細(xì)控制液體表面質(zhì)元的三維運(yùn)動。

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

拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)水波粒子操控實(shí)驗：可實(shí)現(xiàn)對懸浮粒子的捕獲、軌道和自旋運(yùn)動，甚至可驅(qū)動乒乓球做軌道運(yùn)動 （央廣網(wǎng)發(fā) 受訪方供圖）

在水面上實(shí)現(xiàn)對粒子的自由操控，讓高深的物理概念能在一個簡單系統(tǒng)里肉眼可見。這一突破性成果首次證明了拓?fù)渌�波場在粒子精�?zhǔn)操控中的應(yīng)用潛力，揭示了通過調(diào)控波場的拓?fù)涮匦�，可以�?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)奠定了堅實(shí)的理論和實(shí)驗基礎(chǔ)。

跨學(xué)科合作：從實(shí)驗室到課堂

多方的緊密協(xié)作，成功推動了波動物理、拓?fù)湮锢砼c實(shí)驗技術(shù)的融合，充分體現(xiàn)了多領(lǐng)域交叉的優(yōu)勢。資劍團(tuán)隊與河南大學(xué)共同承擔(dān)了液體表面波定量觀測實(shí)驗、實(shí)驗數(shù)據(jù)分析及粒子操控實(shí)驗的實(shí)施，西班牙圣賽瓦斯蒂安國際理論物理中心教授Konstantin Y. Bliokh負(fù)責(zé)拓?fù)渌�波理論的設(shè)計與解析，新加坡南洋理工大學(xué)教授申藝杰團(tuán)隊提供了研究結(jié)構(gòu)波場的一般性理論方法。

傳統(tǒng)的測量方法難以達(dá)到實(shí)驗所需的精度，并且無法全面展示液體表面波的所有特性。為此，團(tuán)隊基于國際合作開發(fā)的算法，能讓研究人員在k僅測量液體表面波的部分信息后，解析出液體表面波質(zhì)元的運(yùn)動軌跡、旋轉(zhuǎn)方向等所有信息，揭示了此前學(xué)界未注意到的復(fù)雜現(xiàn)象，為液體表面波的實(shí)驗研究提供了新的范式。

基于現(xiàn)有的液體表面波實(shí)驗平臺，團(tuán)隊還正在開發(fā)相對簡化的面向基礎(chǔ)教育的實(shí)驗平臺，旨在將前沿科研成果引入中學(xué)課堂，讓復(fù)雜的科學(xué)原理變得更加直觀和易于理解，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和探索精神。

隨著拓?fù)湮锢砗徒Y(jié)構(gòu)波物理在經(jīng)典波系統(tǒng)中的持續(xù)發(fā)展，液體表面波系統(tǒng)憑借其宏觀尺寸和低波速特性，在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)波研究中展現(xiàn)出更加顯著的優(yōu)勢。資劍教授團(tuán)隊表示：“在傳統(tǒng)的水波體系中研究新興的拓?fù)湮锢�，這種跨學(xué)科的研究方法對推動基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究具有重要意義�！�

下一步，團(tuán)隊計劃持續(xù)優(yōu)化實(shí)驗平臺，深入研究拓?fù)渌�波結(jié)構(gòu)中更豐富的物理特性，探索拓?fù)渌�波在粒子操控、機(jī)器人控制、水面漂浮物治理以及水能利用等領(lǐng)域的潛在應(yīng)用，并為光學(xué)、聲學(xué)等學(xué)科中的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)波研究提供更多理論支持和實(shí)驗依據(jù)。