Topologische golfstructuren zijn golfpatronen die specifieke topologische eigenschappen vertonen, of met andere woorden, eigenschappen die onveranderd blijven onder vloeiende vervormingen van een fysiek systeem. Deze structuren, zoals wervels en skyrmionen, hebben veel aandacht getrokken binnen de natuurkundige onderzoeksgemeenschap.

Hoewel natuurkundigen uitgebreide onderzoeken hebben uitgevoerd die zich richten op topologische golfstructuren in verschillende golfsystemen, blijft verrassend genoeg hun meest klassieke voorbeeld onontgonnen. Dit zijn watergolven, trillingen of verstoringen die zich voortplanten op het oppervlak van water of een andere vloeistof.

Onderzoekers van RIKEN hebben onlangs geprobeerd deze leemte in de literatuur op te vullen door een beschrijving te geven van verschillende topologische watergolfstructuren. Hun artikel, gepubliceerd in Physical Review Letters , biedt een theoretisch raamwerk dat toekomstige experimenten zou kunnen inspireren die gericht zijn op het emuleren van topologische golffenomenen.

"Ik werk al bijna twintig jaar aan topologisch niet-triviale golfstructuren, zoals golfwervelingen, skyrmionen, enz.", vertelde Konstantin Y. Bliokh, co-auteur van het artikel, aan Phys.org. ‘Eerst concentreerde ik me op optische (elektromagnetische) velden, daarna op kwantumelektronengolven, en meer recentelijk op akoestische golfvelden. Pas onlangs besefte ik dat dergelijke topologische structuren niet systematisch zijn bestudeerd voor het meest voor de hand liggende type klassieke golven:watergolven. ."

In hun artikel geven Bliokh en zijn medewerkers een theoretische beschrijving van vier verschillende soorten topologische golfstructuren. Deze omvatten watergolfwervelingen die een gekwantiseerd impulsmoment dragen met orbitale en spinbijdragen, skyrmionroosters en meronroosters gevormd op het wateroppervlak, en spatiotemporele watergolfwervelingen en skyrmionen.

"De belangrijkste golfverschijnselen hebben een universeel karakter voor golven van verschillende aard, zowel klassiek als kwantum, vanwege de wiskundige gelijkenis van verschillende golfvergelijkingen", legde Bliokh uit. "In ons geval moesten we de analyse, die eerder was ontwikkeld op elektromagnetische, akoestische en kwantummechanische golfvergelijkingen, toepassen op de vergelijkingen die lineaire golven (zwaartekracht of capillair) op het wateroppervlak beschrijven."

Uit het recente werk van dit team van onderzoekers blijkt dat klassieke watergolven topologisch niet-triviale structuren met interessante fysische eigenschappen kunnen vertonen. De theoretische beschrijvingen van deze structuren die in hun artikel worden geschetst, zouden toekomstige studies en experimentele inspanningen kunnen inspireren die zich richten op vloeistofmechanica.

"In de afgelopen decennia hebben golfwervelingen talloze toepassingen gevonden in optische, akoestische en kwantumsystemen", zei Bliokh. "Het is normaal om te verwachten dat dit ook zal gebeuren in hydrodynamische systemen. We verwachten in het bijzonder dat dynamische eigenschappen van watergolfwervelingen kunnen worden gebruikt voor microfluïdische manipulatie van kleine deeltjes, inclusief biomedische objecten."

Dit recente artikel baant niet alleen de weg voor nieuw onderzoek naar de vloeistofmechanica, maar laat ook zien dat watergolven een robuust hulpmiddel kunnen zijn voor het modelleren van complexe golfverschijnselen die moeilijk waar te nemen zijn in andere golfsystemen, zoals kwantumsystemen. Bliokh en zijn collega's zullen nu proberen de structuren die zij theoretisch beschreven in laboratoriumomgevingen waar te nemen.

"In onze volgende studies zijn we van plan experimenteel de watergolfstructuren (wervelingen, skyrmionen, enz.) te observeren, die theoretisch in ons werk werden beschreven", voegde Bliokh eraan toe. "We hebben al goede vooruitgang geboekt in de richting van dit doel."

Meer informatie: Daria A. Smirnova et al., Water-Wave Vortices and Skyrmions, Physical Review Letters (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.054003. Op arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2308.03520

Journaalinformatie: Fysieke beoordelingsbrieven , arXiv

© 2024 Science X Netwerk