北京时间
2025
年
2
月
6
日，复旦大学资剑教授领导的研究团队，联合河南大学、新加坡南洋理工大学及多诺斯蒂亚国际物理中心等研究机构，在拓扑物理与流体力学交叉领域取得了重要的研究进展。该团队在《
Nature
》期刊上发表了题为
“Topological water-wave structures manipulating
particles”
的研究论文
，首次实现利用具有拓扑结构的水波
波场对粒子的精确操控。该研究不仅深化了对经典重力波系统中矢量特性、波涡旋自旋
-
轨道耦合及锁定机制的理解，也为广义拓扑结构波和光场与物质相互作用开辟了全新的研究方向。
线性平面波作为描述许多波动现象的基础模型，具有振幅、相位、频率、波矢和极化等关键参数，这些参数广泛应用于声波、电磁波、量子波及流体动力学波的研究。尽管单个平面波的传播特性相对简单，但当多个平面波相互干涉时，所形成的波场结构往往复杂且多变，其振幅、相位与极化等特性在空间中的变化可能非常复杂。对于这些复杂的波场，其拓扑性质的鲁棒性（即对小扰动的抵抗能力）显得尤为重要。
拓扑波形（例如相位奇异点、波涡旋、极化奇异点、莫比乌斯带、斯格明子和梅朗子等）已在现代波物理学中发挥了重要作用，并且这些拓扑结构展示了显著的动力学特性。例如，波涡旋携带类似量子力学中的轨道角动量（
OAM
）。基于这些特点，结构化波（如涡旋波）在光学、声学等领域，尤其是在微粒操控方面，取得了重要进展。
表面水波作为经典波动体系中最为常见的类型，一直是研究的重点。尽管在理论上已经对水波中的涡旋、斯格明子和极化莫比乌斯带等拓扑结构进行了描述，但系统研究具有非平庸拓扑和动力学特性的结构化水波，特别是类比于光学与声学的拓扑结构，直到近年来才逐步展开。
本研究中，复旦大学等团队成功展示了在重力表面水波系统中可控生成拓扑结构的实验方法。首先，研究人员在简单的三波干涉场中成功生成了多种拓扑水波结构，包括位移场中的相位涡旋、
Skyrmion
晶格、自旋密度场中的
Meron
晶格、局部水面粒子的圆偏振奇点以及莫比乌斯环等。然后利用多波（
24
束）干涉构造不同阶的贝塞尔型水波涡旋场，观测到了位移场高阶相位涡旋以及
Skyrmionium
（如图
1
所示）。这一研究成果系统性地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。
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。
进一步地，研究团队还展示了利用结构化表面水波对宏观漂浮粒子进行操控的能力。通过与光学和声学中的力与力矩效应进行类比，研究人员在实验中观察到一下现象：
梯度力
将粒子困在波场的高强度区域；
辐射压力
力沿局部相位梯度推动粒子，等同于波动动量密度的作用；
有效自旋密度
引发的粒子力矩，驱动粒子自旋运动，如图
2
所示。这些发现不仅揭示了拓扑水波结构在粒子操控中的潜在应用，还为调控波场的拓扑特性以实现粒子精确控制提供了新的理论依据和实验验证。
这一研究成果不仅为拓扑水波结构在粒子精准操控中的应用提供了重要证据，也揭示了波场拓扑特性调控在粒子控制方面的潜力。这为拓扑物理在粒子操控技术中的广泛应用奠定了坚实的理论和实验基础，并为未来拓扑效应在更广泛物理体系中的探索提供新的途径。
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。
该研究由复旦大学资剑教授团队与河南大学共同承担了液体表面波实验平台的构建及粒子操控实验的实施；南洋理工大学申艺杰教授团队提供了研究结构波场的一般性理论方法；
西班牙
Donostia
国际物理中心
的
Konstantin Y.
Bliokh
教授则负责拓扑水波理论的设计与解析。通过多方的紧密协作，成功推动了波动物理、拓扑物理与实验技术的融合。
本研究的通讯作者包括复旦大学物理学系的资剑教授、石磊教授，西班牙
Donostia
国际物理中心（
DIPC
）
Konstantin
Bliokh
教授以及南洋理工大学的申艺杰教授。共同第一作者为复旦大学访问学者、河南大学未来技术学院（量子信息）王博研究员与复旦大学物理学系博士后车治辕博士。复旦大学物理学系研究生程澄、河南大学未来技术学院（量子信息）研究生童彩丽也在实验和数据分析中作出了重要贡献。研究团队特别感谢复旦大学材料科学系胡新华教授及微纳电子器件与量子计算机研究院刘文哲研究员在理论探讨和实验设计中的建议。
本研究获多个项目资助，包括国家重点研发计划项目、国家自然科学基金重大项目与面上项目、上海市科学技术委员会、中国博士后科学基金等。
https://doi.org/10.1038/s41586-024-08384-y
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