Le strutture d'onda topologiche sono modelli d'onda che mostrano proprietà topologiche specifiche o, in altre parole, proprietà che rimangono invariate sotto deformazioni regolari di un sistema fisico. Queste strutture, come vortici e skyrmion, hanno attirato una notevole attenzione all'interno della comunità di ricerca fisica.
Sebbene i fisici abbiano condotto studi approfonditi concentrandosi sulle strutture ondulatorie topologiche in vari sistemi d’onda, sorprendentemente il loro esempio più classico rimane inesplorato. Si tratta di onde, oscillazioni o disturbi dell'acqua che si propagano sulla superficie dell'acqua o di altro fluido.
I ricercatori del RIKEN hanno recentemente cercato di colmare questa lacuna nella letteratura, offrendo una descrizione di varie strutture topologiche delle onde dell'acqua. Il loro articolo, pubblicato in Physical Review Letters , offre un quadro teorico che potrebbe informare futuri esperimenti volti a emulare fenomeni ondulatori topologici.
"Ho lavorato su strutture ondulatorie topologicamente non banali, come vortici d'onda, skyrmion, ecc., per quasi 20 anni", ha detto a Phys.org Konstantin Y. Bliokh, coautore dell'articolo. "Prima di tutto mi sono concentrato sui campi ottici (elettromagnetici), poi sulle onde degli elettroni quantistici e, più recentemente, sui campi delle onde acustiche. Solo di recente mi sono reso conto che tali strutture topologiche non sono state studiate sistematicamente per il tipo più ovvio di onde classiche:le onde dell'acqua ."
Nel loro articolo, Bliokh e i suoi collaboratori forniscono una descrizione teorica di quattro diversi tipi di strutture ondulatorie topologiche. Questi includono vortici di onde d'acqua che trasportano momento angolare quantizzato con contributi orbitali e di spin, reticoli di skyrmion e reticoli di meroni formati sulla superficie dell'acqua, e vortici di onde d'acqua e skyrmion spaziotemporali.
"I principali fenomeni ondulatori hanno un carattere universale per onde di diversa natura, sia classiche che quantistiche, a causa della somiglianza matematica delle diverse equazioni d'onda", ha spiegato Bliokh. "Nel nostro caso, abbiamo dovuto applicare l'analisi, precedentemente sviluppata per le equazioni delle onde elettromagnetiche, acustiche e quantomeccaniche, alle equazioni che descrivono onde lineari (gravità o capillari) sulla superficie dell'acqua."
Il recente lavoro di questo gruppo di ricercatori mostra che le onde d’acqua classiche possono esibire strutture topologicamente non banali con proprietà fisiche interessanti. Le descrizioni teoriche di queste strutture delineate nel loro articolo potrebbero informare studi futuri e sforzi sperimentali incentrati sulla meccanica dei fluidi.
"Negli ultimi decenni, i vortici d'onda hanno trovato numerose applicazioni nei sistemi ottici, acustici e quantistici", ha affermato Bliokh. "È naturale aspettarsi che ciò accada anche nei sistemi idrodinamici. In particolare, ci aspettiamo che le proprietà dinamiche dei vortici delle onde dell'acqua possano essere impiegate per la manipolazione microfluidica di piccole particelle, inclusi oggetti biomedici."
Oltre ad aprire la strada a nuove ricerche che esplorano la meccanica dei fluidi, questo recente articolo mostra che le onde dell’acqua potrebbero essere uno strumento affidabile per modellare fenomeni ondulatori complessi che sono difficili da osservare in altri sistemi ondulatori, come i sistemi quantistici. Bliokh e i suoi colleghi proveranno ora a osservare le strutture che hanno teoricamente descritto in ambienti di laboratorio.
"Nei nostri prossimi studi prevediamo di osservare sperimentalmente le strutture delle onde dell'acqua (vortici, skyrmion, ecc.), che sono state descritte teoricamente nel nostro lavoro", ha aggiunto Bliokh. "Abbiamo già fatto buoni progressi verso questo obiettivo."
Ulteriori informazioni: Daria A. Smirnova et al., Vortici e Skyrmioni delle onde d'acqua, Lettere di revisione fisica (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.054003. Su arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2308.03520
Informazioni sul giornale: Lettere di revisione fisica , arXiv
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