周四（6日）淩晨，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、西班牙聖賽瓦斯蒂安國際理論物理中心等研究機構在知名雜誌《自然》（Nature）發表研究成果，科學家們發現，水波涉及複雜的流體力學效應，能夠構造豐富的拓撲矢量場用於粒子的操控。

該研究成果題為「Topological water-wave structures manipulating particles（利用水波拓撲結構操控粒子）」，其突破使水波成為探索拓撲物理的全新平台，深化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，同時開辟了水波力操控物體運動的研究領域。

據《澎湃新聞》報道，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。這些粒子除了進行上下運動，還有複雜的橢圓軌跡運動，具有顯著的斯托克斯位移效應和矢量特性。但是如何控制這些波動，以及形成特定的拓撲結構並加以利用，一直是懸而未決的難題。

而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重要的理論和實驗依據。

團隊還自主開發了一套先進的液體表面波實驗觀測平台，以及針對液體表面波任意調控的相控陣技術。平台涵蓋波場生成、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。研究人員可於液體表面波的任何位置，精細控制液體表面質元的三維運動。

研究的一個重要創新點，是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。團隊首次實現包括基於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裏肉眼可見。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。這為基於拓撲物理的粒子操控技術奠定了堅實的理論和實驗基礎。