水波是一種經典的波動形式，因其簡單的實驗可操作性而廣泛應用于流體動力學、微流體學等領域。與傳統的聲波、光波等不同，水波在物理實驗中易于實現，且能夠提供豐富的拓撲特性。近年來，水波的結構化研究逐漸受到關注，尤其是拓撲水波的應用前景。
拓撲波結構（如渦旋、極化紋理、斯格明子等）在光學和聲學領域的應用已取得顯著進展，并且在量子信息、天體物理學和微粒操控等領域展示了強大的潛力。然而，盡管拓撲水波與這些波動系統有著一定的類比，系統性研究仍然較為匱乏，尤其是在水波操作微粒方面的應用尚未得到充分驗證。因此，如何有效控制水波的拓撲結構并將其應用于微粒操控，成為了當前的研究挑戰。
為了解決這一問題，復旦大學資劍/石磊團隊、新加坡南洋理工大學申藝杰助理教授以及日本理化學研究所RIKEN量子計算研究中心Konstantin Y. Bliokh等人合作在Nature期刊上發表了題為“Topological water-wave structures manipulating particles”的最新論文。
該團隊成功設計并制備了具有不同拓撲電荷的水波結構，包括波渦旋、斯格明子和極化莫比烏斯環。他們通過適當的波動干涉配置，成功生成了這些拓撲結構，并探索了它們在水波中的控制方法。尤其在浮動顆粒的操控方面，研究團隊利用水波的結構化特性，顯著提高了顆粒操控的效率。通過實驗，他們觀察到在高強度水波區域，顆粒能夠穩定地被捕獲并沿著水波的相位梯度和軌道運動。
此外，團隊還成功地實現了類似于光學和聲學波動的力矩效應，利用水波的自旋密度和軌道角動量有效地操控了浮動顆粒的軌道和自旋運動。這些進展不僅為拓撲水波的研究提供了新的實驗平臺，也為未來在流體動力學和微流體學中的應用提供了理論依據和技術支持。
（1）實驗首次在重力水波中可控生成拓撲結構，如波渦旋、斯格明子和極化莫比烏斯環，展示了水波的拓撲特性。
（2）實驗通過三波干涉，成功地在水面波中生成了具有不同拓撲電荷的貝塞爾型渦旋。
（3）通過系統研究，實驗揭示了拓撲水波在操作浮動顆粒中的應用，顆粒在高波強度區被困住，并通過水波的軌道和自旋角動量控制其運動。
（4）實驗顯示，水波中的梯度力、輻射壓力力和自旋密度力矩都能有效操控浮動顆粒的軌跡和自旋運動，展現出與光學和聲學波類似的操控機制。
圖 5：三波干涉晶格中第一階渦旋周圍浮動顆粒的動力學。
本文的研究為拓撲水波結構的操控與應用開辟了新的前景，特別是在流體力學和微流體學領域。通過可控生成不同拓撲結構的水波，如渦旋、斯格明子和極化莫比烏斯環，研究者不僅展示了這些結構的穩定性和魯棒性，還揭示了水波在操控浮動顆粒方面的潛力。這一發現提示我們，水波的拓撲性質可以與光學和聲學操控技術相媲美，成為下一代粒子操控技術的有效工具。
特別是，毛細水波的應用前景令人振奮，能夠在微流體學中進行生物醫學物體的精確操控，為液體動力學研究提供了新思路。水波在波長范圍上的優勢，使其能夠覆蓋從毫米到厘米的較大尺度，拓寬了操控顆粒的應用領域。此外，拓撲與非線性之間的相互作用、多頻率和時空結構化水波的研究，也為未來的研究提供了豐富的方向。這項工作為拓撲波動力學研究和流體力學領域的進一步探索提供了理論基礎和實驗平臺，具有重要的科學啟迪和技術應用價值。
Wang, B., Che, Z., Cheng, C. et al. Topological water-wave structures manipulating particles. Nature (2025).
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