研究人员提供拓扑水波结构的理论描述

拓扑波结构是表现出特定拓扑性质的波型，或者换句话说，在物理系统的平滑变形下保持不变的性质。这些结构，如旋涡和skyrmions，在物理研究界引起了极大的关注

尽管物理学家已经对各种波系统中的拓扑波结构进行了广泛的研究，但令人惊讶的是，他们最经典的例子仍未被探索。这些是在水或其他流体表面传播的水波、振荡或扰动

RIKEN的研究人员最近开始通过提供各种水波拓扑结构的描述来填补文献中的这一空白。他们发表在《物理评论快报》上的论文提供了一个理论框架，可以为未来旨在模拟拓扑波现象的实验提供信息

该论文的合著者Konstantin Y.Bliokh告诉Phys.org：“我研究拓扑上非平凡的波结构，如波涡、skyrmions等，已经有近20年的时间了。首先，我专注于光（电磁场）场，然后是量子电子波，最近又专注于声波场。直到最近，我才意识到，对于最明显的经典波类型：水波，还没有系统地研究这种拓扑结构。”

在他们的论文中，Bliokh和他的合作者对四种不同类型的拓扑波结构进行了理论描述。其中包括携带具有轨道和自旋贡献的量子化角动量的水波涡旋，形成在水面上的skyrmion晶格和meron晶格，以及时空水波涡旋和skyrmion

Bliokh解释道：“由于不同波动方程在数学上的相似性，主要波动现象对不同性质的波动具有普遍性，包括经典波动和量子波动。”。“在我们的案例中，我们不得不将之前开发的电磁、声学和量子力学波动方程的分析应用于描述水面上线性波（重力或毛细管）的方程。”

 

该研究团队最近的工作表明，经典水波可以表现出具有有趣物理性质的拓扑非平凡结构。他们的论文中概述的这些结构的理论描述可以为未来专注于流体力学的研究和实验工作提供信息

Bliokh说：“在过去的几十年里，波涡旋在光学、声学和量子系统中有许多应用。”。“很自然地，这种情况也会发生在流体动力学系统中。特别是，我们预计水波涡旋的动力学特性可以用于小颗粒的微流体操纵，包括生物医学物体。”

 

除了为探索流体力学的新研究铺平道路外，这篇最近的论文还表明，水波可以成为一种强大的工具，用于模拟在其他波动系统（如量子系统）中难以观察到的复杂波动现象。Bliokh和他的同事现在将尝试在实验室环境中观察他们理论上描述的结构

Bliokh补充道：“在我们接下来的研究中，我们计划通过实验观察水波结构（旋涡、skyrmions等），这些结构在我们的工作中进行了理论描述。”。“我们已经在实现这一目标方面取得了良好进展。”