摘要：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《自然》（Nature）杂志发表题为“Topological water-wave structures manipul

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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《自然》（Nature）杂志发表题为“Topological water-wave structures manipulating particles（利用水波拓扑结构操控粒子）”的研究成果， 实现利用具有拓扑结构的水波波场对粒子的精确操控，为粒子操控技术开辟了全新的方向。

线性平面波作为描述许多波动现象的基础模型，其关键参数包括振幅、相位、频率、波矢和极化等，这些参数在声波、电磁波、量子波动及流体动力学等领域有广泛的应用。尽管单个平面波的传播特性相对简单，但在多个平面波相互干涉时，所形成的波场结构常常十分复杂。所以，如何精确控制在经典波动系统中将这些波动构建成特定拓扑结构，并进一步加以利用，一直是未解的科学难题。在本研究中，研究团队通过精确调控多波干涉的波矢与相位，成功构造出多种拓扑结构波场，并利用这些波场实现对粒子的精准操控，从而有效解决了这一问题。

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。

研究团队首先在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偏振莫比乌斯带等。随后，通过多波（24束）干涉技术，构造了不同阶数的贝塞尔型水波涡旋场，成功观测到了位移场中的高阶相位涡旋以及Skyrmionium的生成（见图1）。这一研究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与实验依据。

进一步地，研究团队利用水波的拓扑特性，使漂浮在水面的粒子沿特定轨迹运动（如图2所示），并展现出轨道角动量和自旋角动量（这种现象类似于光学系统中的光镊技术），实现了结构化表面水波对宏观漂浮粒子的精确陷俘操控。这一发现为微流控和材料输运提供了一种全新的控制手段。

拓扑水波的可调控性，使其在微尺度物理、生物工程和环境科学等领域具备广泛的应用潜力。随着研究的深入，拓扑水波的潜力或许远不止于此。未来，这一发现可能推动更广泛的应用，包括高精度微操控、环境治理、智能液体操控等，甚至探索更深层次的基本物理规律。

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。

河南大学未来技术学院（量子信息）王博研究员为论文第一作者，复旦大学物理学系博士后车治辕为论文共同第一作者，复旦大学物理学系资剑教授与石磊教授、西班牙Donostia国际物理中心（DIPC）Konstantin Bliokh教授、南洋理工大学申艺杰助理教授为论文共同通讯作者，河南大学未来技术学院（量子信息）研究生童彩丽与复旦大学物理学系研究生程澄也对论文有很大贡献。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、面上项目与青年项目、中国博士后科学基金、河南省“中原英才计划”、河南大学杰出人才特区支持计划等。

来源：走近科学现场