研究水波！复旦大学，重磅Nature!

2025年2月8日上午9:15 • 顶刊解读

研究背景

水波是一种经典的波动形式，因其简单的实验可操作性而广泛应用于流体动力学、微流体学等领域。与传统的声波、光波等不同，水波在物理实验中易于实现，且能够提供丰富的拓扑特性。近年来，水波的结构化研究逐渐受到关注，尤其是拓扑水波的应用前景。

拓扑波结构（如涡旋、极化纹理、斯格明子等）在光学和声学领域的应用已取得显著进展，并且在量子信息、天体物理学和微粒操控等领域展示了强大的潜力。然而，尽管拓扑水波与这些波动系统有着一定的类比，系统性研究仍然较为匮乏，尤其是在水波操作微粒方面的应用尚未得到充分验证。因此，如何有效控制水波的拓扑结构并将其应用于微粒操控，成为了当前的研究挑战。

成果简介

为了解决这一问题，复旦大学资剑/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。

该团队成功设计并制备了具有不同拓扑电荷的水波结构，包括波涡旋、斯格明子和极化莫比乌斯环。他们通过适当的波动干涉配置，成功生成了这些拓扑结构，并探索了它们在水波中的控制方法。尤其在浮动颗粒的操控方面，研究团队利用水波的结构化特性，显著提高了颗粒操控的效率。通过实验，他们观察到在高强度水波区域，颗粒能够稳定地被捕获并沿着水波的相位梯度和轨道运动。

此外，团队还成功地实现了类似于光学和声学波动的力矩效应，利用水波的自旋密度和轨道角动量有效地操控了浮动颗粒的轨道和自旋运动。这些进展不仅为拓扑水波的研究提供了新的实验平台，也为未来在流体动力学和微流体学中的应用提供了理论依据和技术支持。

研究亮点

（1）实验首次在重力水波中可控生成拓扑结构，如波涡旋、斯格明子和极化莫比乌斯环，展示了水波的拓扑特性。

（2）实验通过三波干涉，成功地在水面波中生成了具有不同拓扑电荷的贝塞尔型涡旋。

（3）通过系统研究，实验揭示了拓扑水波在操作浮动颗粒中的应用，颗粒在高波强度区被困住，并通过水波的轨道和自旋角动量控制其运动。

（4）实验显示，水波中的梯度力、辐射压力力和自旋密度力矩都能有效操控浮动颗粒的轨迹和自旋运动，展现出与光学和声学波类似的操控机制。

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

本文的研究为拓扑水波结构的操控与应用开辟了新的前景，特别是在流体力学和微流体学领域。通过可控生成不同拓扑结构的水波，如涡旋、斯格明子和极化莫比乌斯环，研究者不仅展示了这些结构的稳定性和鲁棒性，还揭示了水波在操控浮动颗粒方面的潜力。这一发现提示我们，水波的拓扑性质可以与光学和声学操控技术相媲美，成为下一代粒子操控技术的有效工具。

特别是，毛细水波的应用前景令人振奋，能够在微流体学中进行生物医学物体的精确操控，为液体动力学研究提供了新思路。水波在波长范围上的优势，使其能够覆盖从毫米到厘米的较大尺度，拓宽了操控颗粒的应用领域。此外，拓扑与非线性之间的相互作用、多频率和时空结构化水波的研究，也为未来的研究提供了丰富的方向。这项工作为拓扑波动力学研究和流体力学领域的进一步探索提供了理论基础和实验平台，具有重要的科学启迪和技术应用价值。

文献信息

Wang, B., Che, Z., Cheng, C. et al. Topological water-wave structures manipulating particles. Nature (2025).

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研究水波！复旦大学，重磅Nature!

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