摘要：把一块石子抛入湖中，水面上会泛起朵朵涟漪。人们通常认为，水波是水面的上下振动，波的传播方向与水面振动方向垂直。然而，实际情况并非如此简单。科学家们发现，水波涉及复杂的流体力学效应，能够构造丰富的拓扑矢量场用于粒子的操控。

把一块石子抛入湖中，水面上会泛起朵朵涟漪。人们通常认为，水波是水面的上下振动，波的传播方向与水面振动方向垂直。然而，实际情况并非如此简单。科学家们发现，水波涉及复杂的流体力学效应，能够构造丰富的拓扑矢量场用于粒子的操控。

今日凌晨，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Nature（《自然》）发表题为“利用水波拓扑结构操控粒子”的研究成果。此次研究突破使水波成为探索拓扑物理的全新平台，不仅深化了人们对经典重力波系统中的矢量特性理解，揭示了其中自旋轨道耦合和锁定机制，也开辟了水波力操控物体运动的研究领域。

拓扑学是物理学界普遍关注的研究方向。拓扑在材料科学、量子物理及光学领域的广泛应用，推动了科学技术的深刻变革，在凝聚态物理中的应用更是获得过诺贝尔物理学奖。近年来，拓扑效应逐步被引入电磁波、声波以及液体表面波（水波）等经典波动体系，极大地拓展了这一领域的研究深度与广度，成为基础物理研究与应用技术的全新交汇点。

复旦大学光子晶体课题组长期致力于光子晶体、结构色、相控阵天线、拓扑光学及液体表面波等领域的前沿研究。

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。

团队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。

图为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。

在水面上实现对粒子的自由操控，让高深的物理概念能在一个简单系统里肉眼可见。这一突破性成果首次证明了拓扑水波场在粒子精准操控中的应用潜力，揭示了通过调控波场的拓扑特性，可以实现粒子更加稳定且灵活的控制。这为基于拓扑物理的粒子操控技术奠定了坚实的理论和实验基础。

基于现有的液体表面波实验平台，团队还正在开发相对简化的面向基础教育的实验平台，旨在将前沿科研成果引入中学课堂，让复杂的科学原理变得更加直观和易于理解，激发学生学习兴趣和探索精神。该教学平台不仅能涵盖折射、反射和透射等中学物理概念，还可展示更复杂的相位关系，使学生通过实际操作观察到这些现象，收获带来高质量的实验效果。

下一步，团队计划持续优化实验平台，深入研究拓扑水波结构中更丰富的物理特性，探索拓扑水波在粒子操控、机器人控制、水面漂浮物治理以及水能利用等领域的潜在应用，并为光学、声学等学科中的拓扑结构波研究提供更多理论支持和实验依据。

来源：周到客户端