把一塊石子拋入湖中，水面上會泛起朵朵漣漪?？茖W家們發現，水波涉及復雜的流體力學效應，能夠構造豐富的拓撲矢量場用于粒子的操控。

北京時間2月6日凌晨，復旦大學物理學系資劍教授、石磊教授團隊聯合河南大學、新加坡南洋理工大學、西班牙圣賽瓦斯蒂安國際理論物理中心等研究機構在《自然》（Nature）雜志發表題為“Topological water-wave structures manipulating particles（利用水波拓撲結構操控粒子）”的研究成果。

研究成果發表于《自然》（Nature）。 本文圖片均來源于 復旦大學

此次研究突破使水波成為探索拓撲物理的全新平臺，不僅深化了人們對經典重力波系統中的矢量特性理解，揭示了其中自旋軌道耦合和鎖定機制，也開辟了水波力操控物體運動的研究領域。

拓撲學是物理學界普遍關注的研究方向。拓撲在材料科學、量子物理及光學領域的廣泛應用，推動了科學技術的深刻變革。近年來，拓撲效應逐步被引入電磁波、聲波以及液體表面波（水波）等經典波動體系。

傳統意義上，水波被簡化為一種橫波，波動中的粒子僅進行上下運動。事實上，這些粒子除了進行上下運動，還有復雜的橢圓軌跡運動，具有顯著的斯托克斯位移效應和矢量特性。

如何控制這些波動？如何形成特定的拓撲結構并加以利用？這些問題一直以來是學界懸而未決的難題，亟待掌握明確的方法來測定和控制水波場空間各處的振幅和相位等具體參數。

在簡單的三波干涉場中，復旦大學資劍團隊成功生成了多種拓撲水波結構，包括位移場中的相位渦旋、Skyrmion晶格、自旋密度場中的Meron晶格、局部水面粒子的圓偏振奇點以及莫比烏斯環等，利用液體表面波相控陣技術干涉構造不同階的貝塞爾型水波渦旋場，觀測到了位移場高階相位渦旋以及嵌套斯格明子。研究成果系統揭示了拓撲學在水波體系中的豐富表現形式，為深入探討經典波動體系中的拓撲效應提供了重要的理論和實驗依據。

實驗上生成和觀測到的拓撲水波結構。

團隊自主開發了一套先進的液體表面波實驗觀測平臺，以及針對液體表面波任意調控的相控陣技術。平臺涵蓋波場生成、光學測量和數據分析等模塊，能全面獲取液體表面波的多維度定量信息。基于這一平臺，研究人員可以在液體表面波的任何一個空間位置，精細控制液體表面質元的三維運動。

利用液體表面波拓撲結構實現對漂浮粒子的多維度運動控制，成為研究的一個重要創新點。團隊首次實現了包括基于液體表面波梯度力的亞波長粒子捕獲，由局部波動動量驅動的粒子推進與軌道運動，由局部自旋密度引發的粒子自旋運動等。

在水面上實現對粒子的自由操控，讓高深的物理概念能在一個簡單系統里肉眼可見。這一突破性成果首次證明了拓撲水波場在粒子精準操控中的應用潛力，揭示了通過調控波場的拓撲特性，可以實現粒子更加穩定且靈活的控制。這為基于拓撲物理的粒子操控技術奠定了堅實的理論和實驗基礎。

拓撲結構水波粒子操控實驗：可實現對懸浮粒子的捕獲、軌道和自旋運動，甚至可驅動乒乓球做軌道運動。

該研究的通訊作者包括復旦大學資劍教授、石磊教授，西班牙圣賽瓦斯蒂安國際理論物理中心Konstantin Y. Bliokh教授以及南洋理工大學申藝杰教授。共同第一作者為復旦大學訪問學者、河南大學王博研究員與復旦大學物理學系博士后車治轅博士。復旦大學物理學系研究生程澄、河南大學研究生童彩麗也在實驗和數據分析中做出了重要貢獻。