水——生命之源，也能揭示深奥的物理学原理？
近日，国际研究团队在拓扑物理与流体力学交叉领域取得了重要的研究进展，首次在实验中成功产生了水波的多种拓扑结构，并首次实现利用拓扑结构波对粒子进行精确陷俘操控，揭示了拓扑结构的波动与粒子自旋轨道运动的耦合关系。这项研究不仅揭开了水波与拓扑物理之间的奇妙联系，深化了对经典重力波系统中矢量特性、波涡旋自旋-轨道耦合及锁定机制的理解，也为拓扑物理在水波操控物体运动中的应用开辟了全新的实验平台和研究方向，还为微流控、生物医学工程等领域拓展了新的应用方向。相关成果已发表在国际顶级期刊《Nature》。
本研究由复旦大学资剑教授与石磊教授团队、新加坡南洋理工大学申艺杰助理教授、西班牙 Donostia 国际物理中心（DIPC）Konstantin Bliokh教授等科学家共同完成。他们首次在水波系统中观测到了多种拓扑结构——斯格明子（Skyrmion）、半子（Meron）、莫比乌斯带及不同拓扑荷的贝塞尔涡旋，并通过拓扑水波成功实现了对粒子轨道与自旋运动的操控。这一突破不仅验证了水波的拓扑物理特性，还挖掘了拓扑波动力学在不同物理场中的应用潜力。
拓扑物理为何重要？
拓扑学是数学中的重要分支，研究在连续变形下保持不变的性质。近年来，拓扑学在物理学中扮演了越来越重要的角色。2016 年诺贝尔物理学奖[https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2016/summary/]便授予了拓扑相变与拓扑物质相的研究，标志着拓扑物理在量子和经典物理系统中的重要性。
在物理学的不同领域，科学家已经在光学、电磁学、量子力学和流体力学中观测到了拓扑结构。例如，光波中的莫比乌斯带 [Science 347, 964 (2015)]、电子波中的拓扑涡旋 [Nature 467, 301 (2010)]、磁性材料中的斯格明子 [Nat Rev Mater 2, 17031 (2017)]，这些研究都表明拓扑结构在各种波动系统中普遍存在。
然而，尽管光学和声学中拓扑波模式的研究已取得显著进展，但水波——这一最常见的经典波动系统，尚未被深入探索。此次研究的突破，使水波成为探索拓扑物理的全新平台。
图1. 平面波的干涉可以通过水的自旋、极化、速度和位移产生拓扑结构。a、沿x轴传播的单个平面波，携带非横向极化和横向自旋。b，若干个频率相同但矢量方向不同的平面波的干涉，可以携带复杂的矢量纹理。
水波中的拓扑结构如何形成？
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相位涡旋：由多个平面水波叠加形成，在空间上具有整数拓扑荷，其相位绕中心点旋转。 -
斯格明子和半子：这些结构最初出现在磁性材料中，在水波系统中，它们表现为水粒子的运动方向在一个单元区域内指向所有可能的方向。 莫比乌斯带波场：水波的极化方向呈现出莫比乌斯带拓扑形态，与光学系统中的类似结构相对应。
图2 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。
更重要的是，研究人员还发现这些水波拓扑结构可以用于精准操控漂浮粒子，如泡沫颗粒或乒乓球。这意味着，水波不仅能携带拓扑信息，还能将其作用于物质，实现对粒子运动的高精度调控。
图3 拓扑结构水波的产生示意图以及粒子操控实验：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。
拓扑水波如何操控粒子？
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拓扑结构场可稳定捕获粒子，避免传统方法中因微小扰动而导致粒子脱离目标轨迹的情况。 -
可控轨道和自旋运动，有望应用于精准的生物医学操控，例如细胞排列和药物递送。
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。
跨学科合作与团队贡献
本研究的成功得益于跨学科团队的通力合作，充分体现了多领域交叉的优势。复旦大学资剑教授团队与河南大学共同承担了拓扑液体表面波结构的实验构建、实验数据分析和粒子操控；南洋理工大学申艺杰教授团队提供了研究结构波场的一般性理论方法；日本RIKEN研究所的Konstantin Y. Bliokh教授则负责拓扑水波理论的设计与解析。通过多方的紧密协作，成功推动了波动物理、拓扑物理与实验技术的融合。
本研究的通讯作者包括复旦大学物理学系的资剑教授、石磊教授，西班牙 Donostia 国际物理中心（DIPC）Konstantin Bliokh教授以及南洋理工大学的申艺杰教授。共同第一作者为复旦大学访问学者、河南大学未来技术学院（量子信息）王博研究员与复旦大学物理学系博士后车治辕博士。复旦大学物理学系研究生程澄、河南大学未来技术学院（量子信息）研究生童彩丽也在实验和数据分析中作出了重要贡献。研究团队特别感谢复旦大学材料科学系胡新华教授及微纳电子器件与量子计算机研究院刘文哲研究员在理论探讨和实验设计中的建议。
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与面上项目、上海市科学技术委员会、中国博士后科学基金等。
未来展望：从基础物理到现实应用
这一研究的成功，不仅丰富了拓扑物理学的研究体系，还为未来的微流控技术、材料输运、生物医学工程等领域开辟了新的研究方向。
“我们首次展示了水波的拓扑操控能力，这不仅开辟了水波研究的新领域，也为拓扑波-物质相互作用提供了实验平台。”—— Konstantin Bliokh
“光学和声学中的拓扑波模式已被广泛研究，但水波的拓扑特性此前未被深入探讨。我们的实验提供了水波拓扑物理的新视角。”——申艺杰
“在传统的水波体系中研究新兴的拓扑物理，这种跨学科的研究方法对推动基础研究和应用研究具有重要意义。” ——资剑团队
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。
在这片涟漪波动的水面之下，隐藏着深邃的物理奥秘，而科学家们才刚刚揭开它的冰山一角。
文章链接：
B. Wang, Z. Che, C. Cheng, C. Tong, L. Shi, Y. Shen, K. Y. Bliokh, Jian Zi, "Topological water-wave structures manipulating particles" Nature (2025)
https://www.nature.com/articles/s41586-024-08384-y
