把一塊石子拋入湖中，水面上會(huì)泛起朵朵漣漪。人們通常認(rèn)為，水波是水面的上下振動(dòng)，波的傳播方向與水面振動(dòng)方向垂直。然而，實(shí)際情況并非如此簡(jiǎn)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?chǎng)用于粒子的操控。

北京時(shí)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(duì)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(guó)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(tái)，不僅深化了人們對(duì)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(kāi)辟了水波力操控物體運(yùn)動(dòng)的研究領(lǐng)域。

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

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(dòng)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(guò)諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。近年來(lái)，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(dòng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(kāi)始系統(tǒng)研究如何利用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)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(dòng)現(xiàn)象，是國(guó)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(duì)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(guò)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)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(shí)空渦旋（2024）等，成果曾被Nature關(guān)注和報(bào)道。

傳統(tǒng)意義上，水波被簡(jiǎn)化為一種橫波，波動(dòng)中的粒子僅進(jìn)行上下運(yùn)動(dòng)。事實(shí)上，這些粒子除了進(jìn)行上下運(yùn)動(dòng)，還有復(fù)雜的橢圓軌跡運(yùn)動(dòng)，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(dòng)？如何形成特定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并加以利用？這些問(wèn)題一直以來(lái)是學(xué)界懸而未決的難題，亟待掌握明確的方法來(lái)測(cè)定和控制水波場(chǎng)空間各處的振幅和相位等具體參數(shù)。

在簡(jiǎn)單的三波干涉場(chǎng)中，資劍團(tuán)隊(duì)成功生成了多種拓?fù)渌�波結(jié)構(gòu)，包括位移場(chǎng)中的相位渦旋、Skyrmion晶格、自旋密度場(chǎng)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(chǎng)，觀測(cè)到了位移場(chǎng)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(dòng)體系中的拓?fù)湫��?yīng)提供了重要的理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

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圖1：實(shí)驗(yàn)上生成和觀測(cè)到的拓?fù)渌�波結(jié)構(gòu)

（a）水波位移場(chǎng)Skyrmions, 自旋密度場(chǎng)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(dòng)量垂直分量具有鎖定關(guān)系。

團(tuán)隊(duì)自主開(kāi)發(fā)了一套先進(jìn)的液體表面波實(shí)驗(yàn)觀測(cè)平臺(tái)，以及針對(duì)液體表面波任意調(diào)控的相控陣技術(shù)。平臺(tái)涵蓋波場(chǎng)生成、光學(xué)測(cè)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(tái)，研究人員可以在液體表面波的任何一個(gè)空間位置，精細(xì)控制液體表面質(zhì)元的三維運(yùn)動(dòng)。

利用液體表面波拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)漂浮粒子的多維度運(yùn)動(dòng)控制，成為研究的一個(gè)重要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)。團(tuán)隊(duì)首次實(shí)現(xiàn)了包括基于液體表面波梯度力的亞波長(zhǎng)粒子捕獲，由局部波動(dòng)動(dòng)量驅(qū)動(dòng)的粒子推進(jìn)與軌道運(yùn)動(dòng)，由局部自旋密度引發(fā)的粒子自旋運(yùn)動(dòng)（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(shí)驗(yàn)：可實(shí)現(xiàn)對(duì)懸浮粒子的捕獲、軌道和自旋運(yùn)動(dòng)，甚至可驅(qū)動(dòng)乒乓球做軌道運(yùn)動(dòng)。

在水面上實(shí)現(xiàn)對(duì)粒子的自由操控，讓高深的物理概念能在一個(gè)簡(jiǎn)單系統(tǒng)里肉眼可見(jiàn)。這一突破性成果首次證明了拓?fù)渌�波�?chǎng)在粒子精準(zhǔn)操控中的應(yīng)用潛力，揭示了通過(guò)調(diào)控波場(chǎng)的拓?fù)涮匦裕�可以�?shí)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(jiān)實(shí)的理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

跨學(xué)科團(tuán)隊(duì)國(guó)際合作，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)賦能基礎(chǔ)教育

本研究的成功得益于跨學(xué)科團(tuán)隊(duì)的通力合作，充分體現(xiàn)了多領(lǐng)域交叉的優(yōu)勢(shì)。資劍團(tuán)隊(duì)與河南大學(xué)共同承擔(dān)了液體表面波定量觀測(cè)實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析及粒子操控實(shí)驗(yàn)的實(shí)施，西班牙圣賽瓦斯蒂安國(guó)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(jì)與解析，新加坡南洋理工大學(xué)教授申藝杰團(tuán)隊(duì)提供了研究結(jié)構(gòu)波場(chǎng)的一般性理論方法。通過(guò)多方的緊密協(xié)作，成功推動(dòng)了波動(dòng)物理、拓?fù)湮锢砼c實(shí)驗(yàn)技術(shù)的融合。

傳統(tǒng)的測(cè)量方法難以達(dá)到實(shí)驗(yàn)所需的精度，并且無(wú)法全面展示液體表面波的所有特性。為此，團(tuán)隊(duì)基于國(guó)際合作開(kāi)發(fā)的算法，能讓研究人員在僅測(cè)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(dòng)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)平臺(tái)，團(tuán)隊(duì)還正在開(kāi)發(fā)相對(duì)簡(jiǎn)化的面向基礎(chǔ)教育的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，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(tái)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(guò)實(shí)際操作觀察到這些現(xiàn)象，收獲帶來(lái)高質(zhì)量的實(shí)驗(yàn)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(shì)。資劍教授團(tuán)隊(duì)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(duì)推動(dòng)基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究具有重要意義�！�

下一步，團(tuán)隊(duì)計(jì)劃持續(xù)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，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(shí)驗(yàn)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(guó)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(wèn)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(chē)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(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析中做出了重要貢獻(xiàn)。研究團(tuán)隊(duì)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(jì)算機(jī)研究院劉文哲研究員在理論探討和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中的建議。研究獲國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目與面上項(xiàng)目、上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)、中國(guó)博士后科學(xué)基金等項(xiàng)目支持。

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