Topologiska vågstrukturer är vågmönster som uppvisar specifika topologiska egenskaper, eller med andra ord, egenskaper som förblir oförändrade under mjuka deformationer av ett fysiskt system. Dessa strukturer, såsom virvlar och skyrmioner, har väckt stor uppmärksamhet inom fysikforskningssamhället.
Medan fysiker har utfört omfattande studier med fokus på topologiska vågstrukturer i olika vågsystem, är deras mest klassiska exempel fortfarande outforskat. Dessa är vattenvågor, svängningar eller störningar som fortplantar sig på ytan av vatten eller annan vätska.
Forskare vid RIKEN satte sig nyligen för att fylla denna lucka i litteraturen genom att erbjuda en beskrivning av olika vattenvågtopologiska strukturer. Deras artikel, publicerad i Physical Review Letters , erbjuder ett teoretiskt ramverk som kan informera framtida experiment som syftar till att emulera topologiska vågfenomen.
"Jag har arbetat med topologiskt icke-triviala vågstrukturer, såsom vågvirvlar, skyrmioner, etc., i nästan 20 år", säger Konstantin Y. Bliokh, medförfattare till tidningen, till Phys.org. "Först fokuserade jag på optiska (elektromagnetiska) fält, sedan för kvantelektronvågor och på senare tid för akustiska vågfält. Först nyligen insåg jag att sådana topologiska strukturer inte systematiskt har studerats för den mest uppenbara typen av klassiska vågor:vattenvågor ."
I sin uppsats ger Bliokh och hans medarbetare en teoretisk beskrivning av fyra olika typer av topologiska vågstrukturer. Dessa inkluderar vattenvågsvirvlar som bär kvantiserat vinkelmomentum med orbital- och spinnbidrag, skyrmiongitter och merongitter bildade på vattenytan och spatiotemporala vattenvågsvirvlar och skyrmioner.
"De huvudsakliga vågfenomenen har en universell karaktär för vågor av olika natur, både klassisk och kvant, på grund av den matematiska likheten mellan olika vågekvationer," förklarade Bliokh. "I vårt fall var vi tvungna att tillämpa analysen, som tidigare utvecklats på elektromagnetiska, akustiska och kvantmekaniska vågekvationer, på ekvationerna som beskriver linjära vågor (antingen gravitation eller kapillär) på vattenytan."
Det senaste arbetet av detta team av forskare visar att klassiska vattenvågor kan uppvisa topologiskt icke-triviala strukturer med intressanta fysikaliska egenskaper. De teoretiska beskrivningarna av dessa strukturer som beskrivs i deras artikel skulle kunna informera framtida studier och experimentella ansträngningar med fokus på vätskemekanik.
"Under de senaste decennierna har vågvirvlar hittat många tillämpningar i optiska, akustiska och kvantsystem," sa Bliokh. "Det är naturligt att förvänta sig att detta även kommer att hända i hydrodynamiska system. I synnerhet förväntar vi oss att dynamiska egenskaper hos vattenvågsvirvlar kan användas för mikrofluidisk manipulation av små partiklar, inklusive biomedicinska föremål."
Förutom att bana väg för ny forskning som utforskar vätskemekanik, visar denna senaste artikel att vattenvågor kan vara ett robust verktyg för att modellera komplexa vågfenomen som är svåra att observera i andra vågsystem, såsom kvantsystem. Bliokh och hans kollegor kommer nu att försöka observera de strukturer som de teoretiskt beskrev i laboratoriemiljöer.
"I våra nästa studier planerar vi att experimentellt observera vattenvågsstrukturerna (virvlor, skyrmioner, etc.), som beskrevs teoretiskt i vårt arbete," tillade Bliokh. "Vi har redan gjort goda framsteg mot detta mål."
Mer information: Daria A. Smirnova et al., Water-Wave Vortices and Skyrmions, Physical Review Letters (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.054003. På arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2308.03520
Journalinformation: Fysiska granskningsbrev , arXiv
© 2024 Science X Network
