传统的水波通常被视为标量波，然而，水波中的质点实际上进行的是椭圆轨迹运动，具有显著的斯托克斯位移效应和矢量特性。然而，如何控制这些波动形成特定的拓扑结构并加以利用，一直以来是悬而未决的难题。近日，复旦大学物理系光子晶体课题组联合河南大学、新加坡南洋理工大学、西班牙Donostia国际物理中心，通过水波干涉技术，在水波体系中成功观测到Skyrmion、Meron及Möbius带等拓扑结构，并利用这些结构实现对粒子的精准操控。该研究不仅深化了对经典重力波系统矢量特性的理解，揭示了其中的自旋-轨道耦合及锁定机制，还开辟了拓扑物理实验新平台，为水波力操控物体运动提供了全新视角。研究成果以“Topological water-wave structures manipulating particles”为题，发表在Nature上。 拓扑学是近年来物理学中备受关注的研究方向，其在材料科学、量子物理及光学领域的广泛应用推动了科学与技术的深刻变革，其在凝聚态物理中的应用更是获得了2016年诺贝尔物理学奖。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，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。 复旦大学光子晶体课题组长期致力于光子晶体、结构色、相控阵天线、拓扑光学及液体表面波等领域的前沿研究。早在2003年，课题组长资剑教授即将人工带隙材料的概念引入液体表面波系统，开始系统研究如何利用结构实现对液体表面波的调控的理论与实验研究。团队不仅提出了水波中人工结构能带理论与等效介质理论[Phys. Rev. E, 68 (2003) 066308; Phys. Rev. E, 68 (2003) 037301]，还实验观测到一系列独特的物理效应，如水波超透镜[Phys. Rev. E, 68 (2003) 037301]、自准直效应[Phys. Rev. E, 71 (2005) 036301]以及水波时空涡旋[Phys. Rev. Lett., 132 (2024) 044001]等，成果曾被Nature杂志Highlight报道（https://www.nature.com/articles/428713a）。 该研究提出了基于简单的三波干涉场构造拓扑水波结构的方法，成功生成了位移场中的相位涡旋、Skyrmion晶格，自旋密度场中的Meron晶格，以及局部水面粒子的圆偏振奇点和Möbius环等拓扑结构。此外，研究团队利用24束水波干涉，构造了不同阶的贝塞尔型水波涡旋场，并观测到高阶相位涡旋（如图1所示）。这一研究系统性揭示了拓扑学在水波体系中的丰富表现形式，为经典波动体系中的拓扑效应研究提供了重要的实验依据。 图1：实验上生成和观测到的拓扑水波结构：（a）水波位移场Skyrmions, 自旋密度场Merons和偏振奇点与莫比乌斯环。（b）具有不同拓扑荷的贝塞尔型水波涡旋，自旋和轨道角动量垂直分量具有锁定关系。 此外，研究团队建立了水波中微小粒子的受力模型，揭示了能量密度梯度力、动量密度压力及自旋密度转动力矩对粒子运动的影响。在拓扑水波结构的作用下，团队实现了基于梯度力的亚波长粒子捕获、基于局部压力的粒子推进与轨道运动，以及基于局部力矩的粒子自旋运动，甚至可驱动乒乓球沿设定轨道运动（如图2所示）。这一成果展示了拓扑水波在精确操控悬浮粒子方面的独特优势。 图2：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。 随着拓扑物理和结构波物理在电磁波、声波等经典波系统中的持续发展，液体表面波系统凭借其宏观尺寸和低波速特性，在拓扑结构波研究中将会展现出显著的平台优势。资剑教授表示：“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。” 研究团队计划继续优化实验平台，深入研究拓扑水波结构的更丰富的物理特性，进一步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。一、导读
二、研究背景
三、研究亮点
四、总结与展望