水波成为探索拓扑物理的全新平台

人们通常认为，水波是水面的上下振动，波的传播方向与水面振动方向垂直。然而，实际情况并非如此简单。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。

近日，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》杂志发表关于利用水波拓扑结构操控粒子的研究成果。此次研究成果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。近年来，拓扑效应逐步被引入电磁波、声波以及液体表面波等经典波动体系，极大地拓展了这一领域的研究深度与广度，成为基础物理研究与应用技术的全新交汇点。

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。如何控制这些波动？如何形成特定的拓扑结构并加以利用？这些问题一直是学界悬而未决的难题。该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。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。记者了解到，传统的测量方法难以达到实验所需精度，并且无法全面展示液体表面波的所有特性。为此，研究团队基于国际合作开发的算法，揭示了此前学界未注意到的复杂现象，为液体表面波的实验研究提供了新范式。

业内专家评价，在水面上实现对粒子的自由操控，让高深的物理概念在一个简单系统里肉眼可见。这一突破性成果首次证明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。

“在传统的水波体系中研究新兴的拓扑物理，这种跨学科的研究方法对推动基础研究和应用研究具有重要意义。”资剑介绍，下一步，研究团队将持续优化实验平台，深入研究拓扑水波结构中更丰富的物理特性，探索拓扑水波在粒子操控、机器人控制、水面漂浮物治理以及水能利用等领域的潜在应用，并为光学、声学等学科中的拓扑结构波研究提供更多理论支持和实验依据。

《光明日报》