NTU联合发表《Nature》，祝贺申艺杰教授团队

2025年2月6日，河南大学王博研究员与复旦大学资剑教授、石磊教授，以及NTU申艺杰助理教授和西班牙Donostia国际物理中心Konstantin Bliokh教授等科学家联合发表了题为“拓扑水波结构操纵粒子”的论文。

该论文研究了拓扑物理与流体力学的交叉研究，在国际学术《自然》上发行，利用拓扑水波对粒子进行了设计，为粒子技术提供新方向。 最终成果获国际顶级学术媒体Phys.org、AZoQuantum等争相报道，被评价为“流体力学领域的范式突破”。

研究团队与成果发表

研究团队利用量子计算优化波场参数，实时动态调整控制精度，首次实现亚毫米级浮物定位，误差小于0.1毫米。

该研究成果于2025年2月6日发表在《Nature》上，为未来的海洋工程和环保领域提供了新的解决方案。

成果发表页面。来源：Nature

河南大学未来技术学院王博研究员为论文第一作者，

复旦大学物理学系博士后车治辕为论文共同第一作者，

复旦大学物理学系资剑教授与石磊教授、西班牙Donostia国际物理中心Konstantin Bliokh教授、南洋理工大学申艺杰助理教授为论文共同通讯作者

来源：AAAS

水波的力量

一、研究背景

水波，是自然界中最常见的现象之一。

从海浪的汹涌澎湃到湖面的微波荡漾，它们蕴含着巨大的能量。

然而，长期以来，人类对水波的利用大多停留在被动阶段，比如利用波浪发电或借助海流航行。

南洋理工大学的这项研究，将我们与水波的互动提升到了一个全新的高度——主动操纵水波，实现对漂浮物体的精准控制。

水波浮动。图片来源：NTU

二、技术核心

波编程与量子算法融合

研究团队提出“结构化水波场”理论，通过精密算法设计水波频率、振幅与干涉模式，将无序波动转化为可编程的“水力抓手”。

研究团队首先在三波干涉场中成功生成了多种拓扑水波结构。

包括位移场中的相位涡旋、Skyrmion晶格、自旋密度场中的Meron晶格、局部水面粒子的圆偏振奇点以及偏振莫比乌斯带等。

随后，通过多波（24束）干涉技术，构造了不同阶数的贝塞尔型水波涡旋场，成功观测到了位移场中的高阶相位涡旋以及Skyrmionium的生成。

实验上生成和观测到的拓扑水波结构：

a.水波位移场Skyrmions, 自旋密度场Merons和偏振奇点与莫比乌斯环。

b.具有不同拓扑荷的贝塞尔型水波涡旋，自旋和轨道角动量垂直分量具有锁定关系。

来源：河南大学官网

关键突破：

1. 利用量子计算优化波场参数，实时动态调整控制精度

2. 首次实现亚毫米级浮物定位，误差小于0.1毫米

这一研究系统性地揭示了拓扑学在水波体系中的丰富表现形式，为深入探讨经典波动体系中的拓扑效应提供了重要的理论与实验依据。

新加坡南洋理工大学申艺杰助理教授与水波实验装置合影。

来源:NTU

三、科学原理

从混沌到有序的波场控制

传统水波受湍流与能量耗散限制，难以精准操控物体。NTU技术通过三大创新破解难题：

1. 波导结构设计：在水面布置微型振子阵列，生成干涉条纹引导浮物运动

实验中用于产生波的结构。

来源：河南大学

2. 自适应反馈系统：AI实时分析浮物位置，动态修正波场参数

3. 能量局域化：通过波频共振将能量聚焦于目标区域，减少环境干扰

水在水箱中由环形塑料结构产生的波浪产生的复杂图案中旋转的方式。来源：河南大学

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