拓扑波结构，如漩涡、偏振结构和skyrmions，出现在各种量子和经典波场中，包括光学和声学。特别是，光学涡旋已经发现了许多应用，从量子信息到天体物理学。此外，光结构波和声结构波在操纵小粒子(从原子到宏观生物物体)中至关重要。最近，对结构化水面波的兴趣激增，这可能是量子、光学和声波系统的显著类似物。然而，拓扑水波的形式，特别是他们操纵粒子的能力，还没有被证明。

2025年2月5日，复旦大学资剑、石磊、西班牙圣赛瓦斯蒂安国际理论物理中心Konstantin Y. Bliokh、南洋理工大学申艺杰共同通讯在Nature在线发表题为“Topological water-wave structures manipulating particles”的研究论文，该研究报道了操纵粒子的拓扑水波结构。

该研究描述了在重力水波中拓扑结构的可控生成，即波涡、天空离子和极化莫比乌斯带。最重要的是，用拓扑结构的水波展示了亚波长和波长级漂浮粒子的有效操纵。这包括将粒子捕获在高强度场区，并由于水波的轨道和自旋角动量而控制它们的轨道和自旋运动。该结果揭示了光学和声学操纵的水波对应物，这为流体力学和微流体学的应用铺平了道路。

线性平面波是沿一个方向传播的正弦振荡，其特征在于几个关键参数:振幅、相位、频率、波矢和偏振。这些同样适用于声波、电磁波、量子波和流体动力波。然而，当几个平面波干涉时，产生的结构场变得相当复杂，因此它的振幅、相位和极化可以从点到点任意变化。对于这种复杂的波场，拓扑性质，对小扰动鲁棒，变得相关。传统意义上，水波被简化为一种横波，波动中的粒子仅进行上下运动。事实上，这些粒子除了进行上下运动，还有复杂的椭圆轨迹运动，具有显著的斯托克斯位移效应和矢量特性。

在简单的三波干涉场中，研究团队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，利用液体表面波相控阵技术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嵌套斯格明子（如图1所示）。研究成果系统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。

线性水波及其主要局部特征（图源自Nature）

该研究自主开发了一套先进的液体表面波实验观测平台，以及针对液体表面波任意调控的相控阵技术。平台涵盖波场生成、光学测量和数据分析等模块，能全面获取液体表面波的多维度定量信息。基于这一平台，研究人员可以在液体表面波的任何一个空间位置，精细控制液体表面质元的三维运动。研究人员首次实现了包括基于液体表面波梯度力的亚波长粒子捕获，由局部波动动量驱动的粒子推进与轨道运动，由局部自旋密度引发的粒子自旋运动。

参考消息：

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