复旦大学，Nature!

米测MeLab

2025-03-04

研究背景

拓扑波结构，如涡旋、极化纹理和斯格明子，出现在包括光学和声学在内的各种量子和经典波场中。特别是，光学涡旋已经在量子信息到天体物理学等多个领域找到了广泛应用。此外，光学和声学结构化波在操作微小颗粒（从原子到宏观生物物体）方面也至关重要。

最近，结构化水面波引起了广泛关注，它们可以作为量子、光学和声学波系统的重要类比。然而，拓扑水波形，特别是在操作颗粒方面的能力，尚未得到展示。

为了解决这一问题，复旦大学资剑教授/石磊团队、新加坡南洋理工大学申艺杰助理教授以及日本理化学研究所RIKEN量子计算研究中心Konstantin Y. Bliokh等人合作在“Nature”期刊上发表了题为“Topological water-wave structures manipulating particles”的最新论文。本文描述了在重力水波中可控生成拓扑结构，即波涡旋、斯格明子和极化莫比乌斯环。最重要的是，作者展示了通过拓扑结构化水波高效操作亚波长和波长级浮动颗粒。

这包括将颗粒捕获在高强度场区，并通过水波的轨道和自旋角动量控制其轨道和自旋运动。作者的结果揭示了水波在光学和声学操控中的对应物，为流体动力学和微流体学应用开辟了道路。

研究亮点

1）实验首次在重力水波中可控生成拓扑结构，得到了波涡旋、斯格明子和极化莫比乌斯环。这些拓扑结构与光学和声学波系统中的类似结构具有相似的动态特性。

2）实验通过三平面波的干涉生成了不同拓扑的水波结构，如第一阶涡旋、斯格明子以及纯圆极化C点，并通过适当的干涉配置实现了结构化水面波的控制。实验还通过几何分布的波干涉产生了具有可控拓扑电荷的贝塞尔型水波涡旋。

3）通过结构化水波，实验高效操作了宏观浮动颗粒，观察到了类似于光学和声学操控中的力学效应。颗粒被梯度力捕捉在高波强度区域，并通过“辐射压力”力沿局部相位梯度推动，此外，水波中的自旋密度产生了对颗粒的力矩效应。

图文解读

图 1：线性水波及其主要局部特性。

图 2：三波干涉图案中的拓扑结构。

图 3：生成具有不同拓扑电荷的贝塞尔型水波涡旋。

图 4：贝塞尔涡旋水波中浮动颗粒的动力学。

图 5：三波干涉晶格中第一阶涡旋周围浮动颗粒的动力学。

结论展望

本文展示了拓扑水波结构的可控生成，包括具有不同拓扑电荷的涡旋、斯格明子和极化莫比乌斯环。作者的实验证明了这些结构的鲁棒性，例如，与在三波干涉图案中“破裂”的自旋梅龙相比，水波结构展现出了更强的稳定性。最重要的是，作者揭示了这些结构化水波的显著动态特性，并展示了它们操控不同大小浮动颗粒的能力，包括稳定捕获以及轨道和自旋旋转。

作者的研究为波诱导力学提供了一个新的平台，可以将成熟的光学和声学操控技术推广到流体力学领域。特别是，毛细水波可以用于生物医学物体的微流体操控，类似于目前使用的声波。尽管光学操控使用的波长通常在微米级，声学操控的波长范围在几十微米到毫米之间，而水波可以有效地利用毫米到厘米甚至更大的波长范围，甚至到达庞大的海洋波。

这项工作只是朝着这一方向迈出的第一步。未来的发展可能包括更详细地考虑结构化水波与浮动颗粒之间的相互作用，利用水波对具有不同特性的颗粒进行分类，水波中固有的拓扑与非线性之间的相互作用，考虑多频率和时空结构化水波等。

原文详情：

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