研究背景
拓撲波結構，如渦旋、極化紋理和斯格明子，出現在包括光學和聲學在內的各種量子和經典波場中。特別是，光學渦旋已經在量子信息到天體物理學等多個領域找到了廣泛應用。此外，光學和聲學結構化波在操作微小顆粒（從原子到宏觀生物物體）方面也至關重要。
最近，結構化水面波引起了廣泛關注，它們可以作為量子、光學和聲學波系統的重要類比。然而，拓撲水波形，特別是在操作顆粒方面的能力，尚未得到展示。
為了解決這一問題，復旦大學資劍教授/石磊團隊、新加坡南洋理工大學申藝杰助理教授以及日本理化學研究所RIKEN量子計算研究中心Konstantin Y. Bliokh等人合作在“Nature”期刊上發表了題為“Topological water-wave structures manipulating particles”的最新論文。本文描述了在重力水波中可控生成拓撲結構，即波渦旋、斯格明子和極化莫比烏斯環。最重要的是，作者展示了通過拓撲結構化水波高效操作亞波長和波長級浮動顆粒。
這包括將顆粒捕獲在高強度場區，并通過水波的軌道和自旋角動量控制其軌道和自旋運動。作者的結果揭示了水波在光學和聲學操控中的對應物，為流體動力學和微流體學應用開辟了道路。
研究亮點
1）實驗首次在重力水波中可控生成拓撲結構，得到了波渦旋、斯格明子和極化莫比烏斯環。這些拓撲結構與光學和聲學波系統中的類似結構具有相似的動態特性。
2）實驗通過三平面波的干涉生成了不同拓撲的水波結構，如第一階渦旋、斯格明子以及純圓極化C點，并通過適當的干涉配置實現了結構化水面波的控制。實驗還通過幾何分布的波干涉產生了具有可控拓撲電荷的貝塞爾型水波渦旋。
3）通過結構化水波，實驗高效操作了宏觀浮動顆粒，觀察到了類似于光學和聲學操控中的力學效應。顆粒被梯度力捕捉在高波強度區域，并通過“輻射壓力”力沿局部相位梯度推動，此外，水波中的自旋密度產生了對顆粒的力矩效應。
圖文解讀
圖 1：線性水波及其主要局部特性。
圖 2：三波干涉圖案中的拓撲結構。
圖 3：生成具有不同拓撲電荷的貝塞爾型水波渦旋。
圖 4：貝塞爾渦旋水波中浮動顆粒的動力學。
圖 5：三波干涉晶格中第一階渦旋周圍浮動顆粒的動力學。
結論展望
本文展示了拓撲水波結構的可控生成，包括具有不同拓撲電荷的渦旋、斯格明子和極化莫比烏斯環。作者的實驗證明了這些結構的魯棒性，例如，與在三波干涉圖案中“破裂”的自旋梅龍相比，水波結構展現出了更強的穩定性。最重要的是，作者揭示了這些結構化水波的顯著動態特性，并展示了它們操控不同大小浮動顆粒的能力，包括穩定捕獲以及軌道和自旋旋轉。
作者的研究為波誘導力學提供了一個新的平臺，可以將成熟的光學和聲學操控技術推廣到流體力學領域。特別是，毛細水波可以用于生物醫學物體的微流體操控，類似于目前使用的聲波。盡管光學操控使用的波長通常在微米級，聲學操控的波長范圍在幾十微米到毫米之間，而水波可以有效地利用毫米到厘米甚至更大的波長范圍，甚至到達龐大的海洋波。
這項工作只是朝著這一方向邁出的第一步。未來的發展可能包括更詳細地考慮結構化水波與浮動顆粒之間的相互作用，利用水波對具有不同特性的顆粒進行分類，水波中固有的拓撲與非線性之間的相互作用，考慮多頻率和時空結構化水波等。
原文詳情：
Wang, B., Che, Z., Cheng, C. et al. Topological water-wave structures manipulating particles. Nature (2025).
https://doi.org/10.1038/s41586-024-08384-y
