Pētnieki sniedz teorētisku topoloģisko ūdens viļņu struktūru aprakstu

Topoloģiskās viļņu struktūras ir viļņu modeļi, kuriem piemīt specifiskas topoloģiskās īpašības vai, citiem vārdiem sakot, īpašības, kas paliek nemainīgas vienmērīgu fiziskās sistēmas deformāciju gadījumā. Šīs struktūras, piemēram, virpuļi un skyrmions, ir izraisījušas lielu interesi fizikas pētniecības aprindās.

Lai gan fiziķi ir veikuši plašus pētījumus, koncentrējoties uz topoloģisko viļņu struktūrām dažādās viļņu sistēmās, ir pārsteidzoši, ka klasiskākais piemērs joprojām nav izpētīts. Tie ir ūdens viļņi, svārstības vai traucējumi, kas izplatās pa ūdens vai citu šķidrumu virsmu.

RIKEN institūta pētnieki nesen ir sākuši aizpildīt šo robu literatūrā, sniedzot dažādu ūdens viļņu topoloģisko struktūru aprakstu. viņi papīrspublicēts Fiziskās apskates vēstulesTas nodrošina teorētisku ietvaru, kas var sniegt informāciju par turpmākajiem eksperimentiem, kuru mērķis ir simulēt topoloģisko viļņu parādības.

“Es esmu strādājis pie topoloģiski netriviālām viļņu struktūrām, piemēram, viļņu virpuļiem, skyrmioniem utt., Gandrīz 20 gadus,” Phys.org pastāstīja darba līdzautors Konstantīns Pļuhs. “Vispirms es koncentrējos uz optiskajiem (elektromagnētiskajiem) laukiem, pēc tam uz kvantu elektronu viļņiem un pavisam nesen uz skaņas viļņu laukiem. Tikai nesen sapratu, ka šādas topoloģiskās struktūras nav sistemātiski pētītas visredzamākajam klasisko viļņu veidam: ūdenim. viļņi.”

Savā rakstā Pleuch un līdzstrādnieki sniedz teorētisku aprakstu par četriem dažādiem topoloģisko viļņu struktūru veidiem. Tajos ietilpst ūdens viļņu virpuļi, kas nes kvantu leņķisko impulsu ar orbitālo un rotācijas ieguldījumu, Skyrmion un Meron režģi, kas veidojas uz ūdens virsmas, un spatiotemporāli ūdens viļņu virpuļi un skyrmions.

“Galvenajām viļņu parādībām ir universāls raksturs dažāda rakstura viļņiem, klasiskajiem un kvantu viļņiem dažādu viļņu vienādojumu matemātiskās līdzības dēļ,” skaidroja Pleuhs. “Mūsu gadījumā mums bija jāpiemēro analīze, kas iepriekš tika izstrādāta elektromagnētisko, akustisko un kvantu mehānisko viļņu vienādojumos, vienādojumiem, kas apraksta lineāros viļņus (gan gravitācijas, gan kapilārus) uz ūdens virsmas.”

Nesenais šīs pētnieku komandas darbs liecina, ka klasiskajiem ūdens viļņiem var būt topoloģiski netriviālas struktūras ar interesantām fizikālām īpašībām. To rakstā aprakstītie šo struktūru teorētiskie apraksti var sniegt informāciju par turpmākajiem pētījumiem un eksperimentālajiem centieniem, kas vērsti uz šķidruma mehāniku.

“Pēdējās desmitgadēs viļņu virpuļi ir atraduši daudzus pielietojumus optiskajās, akustiskajās un kvantu sistēmās,” sacīja Pleuhs. “Mēs, protams, sagaidām, ka tas notiks arī hidrodinamiskajās sistēmās. Jo īpaši mēs sagaidām, ka ūdens viļņu virpuļu dinamiskās īpašības var izmantot mazu molekulu, tostarp biomedicīnas objektu, mikrofluidiskām manipulācijām.”

Papildus tam, ka tiek bruģēts ceļš jauniem pētījumiem, kas pēta šķidrumu mehāniku, šis nesenais raksts parāda, ka ūdens viļņi var būt spēcīgs instruments, lai modelētu sarežģītas viļņu parādības, kuras ir grūti novērot citās viļņu sistēmās, piemēram, kvantu sistēmās. Pleuch un viņa kolēģi tagad mēģinās novērot struktūras, kuras viņi teorētiski aprakstīja laboratorijas apstākļos.

“Mūsu nākamajos pētījumos mēs plānojam eksperimentāli novērot ūdens viļņu struktūras (virpuļus, mākoņus utt.), Kas mūsu darbā ir teorētiski aprakstītas,” piebilda Pleuch. “Mēs jau esam panākuši labu progresu šī mērķa sasniegšanai.”