把一塊石子拋入湖中，水面上會泛起朵朵漣漪。人們通常認(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，實際情況并非如此簡單，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。

二十年磨一劍，讓水波質(zhì)元運(yùn)動精準(zhǔn)可控、肉眼可見

拓?fù)鋵W(xué)是物理學(xué)界普遍關(guān)注的研究方向。拓?fù)湓?span onclick="sendmsg('pw_ajax.php','action=relatetag&tagname=材料',this.id)" style="cursor:pointer;border-bottom: 1px solid #FA891B;" id="rlt_10">材料科學(xué)、量子物理及光學(xué)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，推動了科學(xué)技術(shù)的深刻變革，在凝聚態(tài)物理中的應(yīng)用更是獲得過諾貝爾物理學(xué)獎。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？這些問題一直以來是學(xué)界懸而未決的難題，亟待掌握明確的方法來測定和控制水波場空間各處的振幅和相位等具體參數(shù)。

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（如圖1所示）。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驗依據(jù)。

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圖1：實驗上生成和觀測到的拓?fù)渌�波結(jié)構(gòu)

（a）水波位移場Skyrmions, 自旋密度場Merons和偏振奇點(diǎn)與莫比烏斯環(huán)。（b）具有不同拓?fù)浜傻呢惾麪栃退�波渦旋，自旋和軌道角動量垂直分量具有鎖定關(guān)系。

團(tuán)隊自主開發(fā)了一套先進(jìn)的液體表面波實驗觀測平臺，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。基于這一平臺，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（如圖2所示）等。

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圖2.拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)水波粒子操控實驗：可實現(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。

在水面上實現(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)涮匦裕�可以實現(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)奠定了堅實的理論和實驗基礎(chǔ)。

跨學(xué)科團(tuán)隊國際合作，實驗平臺賦能基礎(chǔ)教育

本研究的成功得益于跨學(xué)科團(tuán)隊的通力合作，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驗、實驗數(shù)據(jù)分析及粒子操控實驗的實施，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。通過多方的緊密協(xié)作，成功推動了波動物理、拓?fù)湮锢砼c實驗技術(shù)的融合。

傳統(tǒng)的測量方法難以達(dá)到實驗所需的精度，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，為液體表面波的實驗研究提供了新的范式。

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圖3.水波藝術(shù)效果圖

基于現(xiàn)有的液體表面波實驗平臺，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。該教學(xué)平臺不僅能涵蓋折射、反射和透射等中學(xué)物理概念，還可展示更復(fù)雜的相位關(guān)系，使學(xué)生通過實際操作觀察到這些現(xiàn)象，收獲帶來高質(zhì)量的實驗效果。

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�?span onclick="sendmsg('pw_ajax.php','action=relatetag&tagname=機(jī)器人',this.id)" style="cursor:pointer;border-bottom: 1px solid #FA891B;" id="rlt_7">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驗依據(jù)。

本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驗和數(shù)據(jù)分析中做出了重要貢獻(xiàn)。研究團(tuán)隊特別感謝復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系胡新華教授及微納電子器件與量子計算機(jī)研究院劉文哲研究員在理論探討和實驗設(shè)計中的建議。研究獲國家重點(diǎn)研發(fā)計劃項目、國家自然科學(xué)基金重大項目與面上項目、上海市科學(xué)技術(shù)委員會、中國博士后科學(xué)基金等項目支持。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-08384-y