Forskere tilbyder teoretisk beskrivelse af topologiske vandbølgestrukturer

Topologiske bølgestrukturer er bølgemønstre, der udviser specifikke topologiske egenskaber, eller med andre ord, egenskaber, der forbliver uvarierede under glatte deformationer af et fysisk system. Disse strukturer, såsom hvirvler og skyrmioner, har tiltrukket sig betydelig opmærksomhed inden for fysikforskningsmiljøet.

Mens fysikere har udført omfattende undersøgelser med fokus på topologiske bølgestrukturer i forskellige bølgesystemer, forbliver deres mest klassiske eksempel overraskende uudforsket. Disse er vandbølger, svingninger eller forstyrrelser, der forplanter sig på overfladen af ​​vand eller anden væske.

Forskere ved RIKEN har for nylig sat sig for at udfylde dette hul i litteraturen ved at tilbyde en beskrivelse af forskellige vandbølgetopologiske strukturer. Deres papir, udgivet i Physical Review Letters , tilbyder en teoretisk ramme, der kunne informere fremtidige eksperimenter med det formål at efterligne topologiske bølgefænomener.

"Jeg har arbejdet på topologisk ikke-trivielle bølgestrukturer, såsom bølgehvirvler, skyrmioner osv., i næsten 20 år," fortalte Konstantin Y. Bliokh, medforfatter af papiret, til Phys.org. "Først fokuserede jeg på optiske (elektromagnetiske) felter, derefter for kvanteelektronbølger og for nylig for akustiske bølgefelter. Først for nylig indså jeg, at sådanne topologiske strukturer ikke er blevet systematisk undersøgt for den mest åbenlyse type klassiske bølger:vandbølger ."

I deres papir giver Bliokh og hans samarbejdspartnere en teoretisk beskrivelse af fire forskellige typer topologiske bølgestrukturer. Disse omfatter vandbølgehvirvler, der bærer kvantiseret vinkelmomentum med orbital- og spinbidrag, skyrmion-gitre og meron-gitre dannet på vandoverfladen og spatiotemporale vandbølgehvirvler og skyrmioner.

"De vigtigste bølgefænomener har en universel karakter for bølger af forskellig natur, både klassisk og kvante, på grund af den matematiske lighed mellem forskellige bølgeligninger," forklarede Bliokh. "I vores tilfælde var vi nødt til at anvende analysen, som tidligere er udviklet til elektromagnetiske, akustiske og kvantemekaniske bølgeligninger, på ligningerne, der beskriver lineære bølger (enten tyngdekraft eller kapillær) på vandoverfladen."

Det nylige arbejde fra dette hold af forskere viser, at klassiske vandbølger kan udvise topologisk ikke-trivielle strukturer med interessante fysiske egenskaber. De teoretiske beskrivelser af disse strukturer, der er skitseret i deres papir, kunne informere fremtidige undersøgelser og eksperimentelle bestræbelser med fokus på fluidmekanik.

"I de sidste årtier har bølgehvirvler fundet adskillige anvendelser i optiske, akustiske og kvantesystemer," sagde Bliokh. "Det er naturligt at forvente, at dette også vil ske i hydrodynamiske systemer. Især forventer vi, at vandbølgehvirvlers dynamiske egenskaber kan anvendes til mikrofluidisk manipulation af små partikler, herunder biomedicinske objekter."

Ud over at bane vejen for ny forskning, der udforsker væskemekanik, viser dette nylige papir, at vandbølger kan være et robust værktøj til at modellere komplekse bølgefænomener, som er svære at observere i andre bølgesystemer, såsom kvantesystemer. Bliokh og hans kolleger vil nu forsøge at observere de strukturer, som de teoretisk beskrev i laboratoriemiljøer.

"I vores næste undersøgelser planlægger vi eksperimentelt at observere vandbølgestrukturerne (hvirvler, skyrmioner osv.), som blev beskrevet teoretisk i vores arbejde," tilføjede Bliokh. "Vi har allerede gjort gode fremskridt hen imod dette mål."

Flere oplysninger: 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

Journaloplysninger: Physical Review Letters , arXiv

© 2024 Science X Network