水波比你想象的更复杂 复旦科研团队国际合作研究登上Nature

把一块石子抛入湖中，水面上会泛起朵朵涟漪。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。北京时间2月6日凌晨，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Nature（《自然》）发表题为“利用水波拓扑结构操控粒子”的研究成果。此次研究突破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。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，课题组组长资剑教授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拓扑结构实现对液体表面波的调控，包括水等各种液态物质表面的波动现象，是国际上最早提出并探索液体表面波调控可能性的研究者之一。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，还通过实验观测到一系列独特的物理效应，如水波超透镜（2003）、自准直效应（2005）、以及水波时空涡旋（2024）等，成果曾被Nature关注和报道。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，具有显著的斯托克斯位移效应和矢量特性。

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。

如何控制这些波动？如何形成特定的拓扑结构并加以利用？这些问题一直以来是学界悬而未决的难题，亟待掌握明确的方法来测定和控制水波场空间各处的振幅和相位等具体参数。在简单的三波干涉场中，资剑团队成功生成了多种拓扑水波结构，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。团队自主开发了一套先进的液体表面波实验观测平台，以及针对液体表面波任意调控的相控阵技术。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。团队首次实现了包括基于液体表面波梯度力的亚波长粒子捕获，由局部波动动量驱动的粒子推进与轨道运动，由局部自旋密度引发的粒子自旋运动。在水面上实现对粒子的自由操控，让高深的物理概念能在一个简单系统里肉眼可见。这一突破性成果首次证明了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。这为基于拓扑物理的粒子操控技术奠定了坚实的理论和实验基础。

本研究的成功得益于跨学科团队的通力合作，充分体现了多领域交叉的优势。资剑团队与河南大学共同承担了液体表面波定量观测实验、实验数据分析及粒子操控实验的实施，西班牙圣赛瓦斯蒂安国际理论物理中心教授KonstantinY.Bliokh负责拓扑水波理论的设计与解析，新加坡南洋理工大学教授申艺杰团队提供了研究结构波场的一般性理论方法。多方的紧密协作成功推动了波动物理、拓扑物理与实验技术的融合。

下一步，团队计划持续优化实验平台，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。