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特性的波模式，或者换句话说，在物理系统的平滑变形下保持不变的特性。这些结构，例如涡旋和斯格明子，引起了物理研究界的极大关注。

尽管物理学家已经针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。他们的论文发表在《物理评论快报》上，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。

“近 20 年来，我一直在研究非平凡的拓扑波结构，例如波涡、斯格明子等，”该论文的合著者 Konstantin Y. Bliokh 告诉 Phys.org。“首先，我关注光学(电磁)场，然后关注量子电子波，最近关注声波场。直到最近我才意识到，对于最明显的经典波类型：水波，这种拓扑结构还没有被系统地研究过。 ”。

在他们的论文中，Bliokh 和他的合作者提供了四种不同类型的拓扑波结构的理论描述。这些包括携带具有轨道和自旋贡献的量子角动量的水波涡旋、在水表面形成的斯格明子晶格和默子晶格，以及时空水波涡旋和斯格明子。

布利克解释说：“由于不同波动方程的数学相似性，主要的波动现象对于不同性质的波(无论是经典波还是量子波)都具有普遍特征。” “在我们的例子中，我们必须将之前针对电磁、声学和量子力学波动方程开发的分析应用于描述水面上的线性波(重力或毛细管)的方程。 ”

该研究小组最近的工作表明，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以流体力学为重点的研究和实验工作提供信息。

“在过去的几十年里，波涡流在光学、声学和量子系统中得到了广泛的应用，”布利克说。“很自然地预计这也会发生在流体动力系统中。特别是，我们期望水波涡流的动力学特性可用于小颗粒(包括生物医学物体)的微流体操纵。”

除了为探索流体力学的新研究铺平道路之外，最近的这篇论文还表明，水波可以成为模拟复杂波动现象的强大工具，而这些现象在其他波动系统(例如量子系统)中很难观察到。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。

“在我们接下来的研究中，我们计划通过实验观察水波结构(涡流、斯格明子等)，这些结构在我们的工作中进行了理论上的描述，”布利克补充道。“我们已经朝着这一目标取得了良好进展。”