Открывая новые горизонты: топологические структуры в волновой физике

Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com
| Рассуждения | Оффтопик

Волны на поверхности жидкости — это один из самых распространенных и знакомых нам видов волн, которые мы можем наблюдать в природе. Они возникают на поверхности воды или другой жидкости под действием силы тяжести, ветра, течений или других факторов. Такие волны могут иметь разную форму, размер, скорость и направление, но все они подчиняются общим законам физики.

Однако волны на поверхности жидкости интересны не только сами по себе, но и могут служить моделью для изучения более сложных и труднодоступных волновых систем, таких как оптические, акустические или квантовые волны. В этих системах могут возникать особые волновые узоры, которые имеют топологические свойства. Топология — это раздел математики, который изучает свойства геометрических фигур, которые не меняются при их искажении, растяжении или сжатии, но не при разрыве или склеивании.

Гексагональная решетка, полученная интерференцией трех волн с одинаковыми частотами, амплитудами и фазами с цветовой кодировкой, показана на рисунке (c). а) Мгновенная водная поверхность Z(x, y,0) и смещения частиц на поверхности воды R(x, y,0) для поля (9). Направления смещения в единичной гексагональной ячейке отображаются на единичную сферу, обеспечивая скирмиону топологический заряд Q=1. (b) Поле направления смещения единицы измерения ¯R(x, y,0) представлены цветами (вертикальная составляющая ¯Z) и черные стрелки (компоненты в плоскости ¯R2). (d) Сложное поле вертикального смещения Z(x, y) и дрейф Стокса U индикация решетки чередующихся WWV с ℓ=+-1. (e) Единичное поле спиновой плотности ¯S(x, y) изображается аналогично (b). Гексагональная элементарная ячейка разделена на треугольные зоны спиновых меронов (полускирмионов) с топологическими зарядами QS=+-1/2 и центры с ¯Sz=+-1 В соответствии с ℓ=+-1 вихри в (d).
Автор: Daria A. Smirnova, Franco Nori, and Konstantin Y. Bliokh DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.132.054003 Источник: journals.aps.org

Топологические волновые структуры — это волновые узоры, которые сохраняют свои топологические свойства при гладких деформациях волнового поля. Они могут быть устойчивы к возмущениям, несовместимы с границами системы или несущими дополнительную информацию, такую как угловой момент или заряд. Примерами таких структур являются вихри и скирмионы.

Вихри — это волны, которые вращаются вокруг центра, имея ненулевой угловой момент. Угловой момент — это физическая величина, которая характеризует вращательное движение тела или системы тел. Вихри могут быть классифицированы по знаку и величине углового момента, который может быть целым или дробным числом. Вихри могут также иметь спин — собственный угловой момент, который зависит от поляризации волны. Поляризация — это свойство волны, которое определяет направление колебаний ее частиц. Вихри могут образовывать решетки — периодические структуры из множества вихрей, расположенных в определенном порядке.

Скирмионы — это волны, которые имеют несимметричную форму, напоминающую спираль или завиток. Они имеют топологический заряд — целочисленную величину, которая определяет степень искривления волнового поля. Скирмионы могут также образовывать решетки, а также мероны — половинки скирмионов, которые имеют полуцелый топологический заряд.

Топологические волновые структуры были изучены в различных волновых системах, таких как электромагнитные, акустические или квантовые волны. Однако самый классический пример волновой системы — волны на поверхности жидкости — до недавнего времени оставался практически неисследованным с точки зрения топологии. Исследователи из RIKEN в Японии решили заполнить этот пробел и предложили теоретическое описание различных топологических структур жидкостных волн. Их работа была опубликована в престижном журнале Physical Review Letters и может стать отправной точкой для будущих экспериментов в области гидромеханики.

Авторы статьи применили анализ, ранее разработанный для других волновых уравнений, к уравнениям, описывающим линейные волны на водной поверхности. Они показали, что волны на воде могут образовывать четыре типа топологических структур: вихри, скирмионы, решетки скирмионов и меронов, а также пространственно-временные вихри и скирмионы. Они также рассчитали физические параметры этих структур, такие как угловой момент, спин, поляризация и топологический заряд.

Эта работа демонстрирует, что волны на воде могут служить наглядной и доступной моделью для изучения топологических волновых явлений, которые могут иметь важное значение для фундаментальной и прикладной физики. Топологические волновые структуры могут быть использованы для манипуляции маленькими частицами, включая биомедицинские объекты, для передачи информации или для создания новых материалов. Кроме того, волны на поверхности жидкости могут помочь понять свойства других волновых систем, таких как квантовые волны, потому что они имеют схожие математические уравнения и топологические структуры. Таким образом, они могут служить аналогией или моделью для более сложных и загадочных волновых явлений, которые происходят в микромире.

Сейчас на главной

Новости

Публикации

От единого толчка к сети разломов: как на самом деле происходят землетрясения?

Землетрясения — эти грозные подземные толчки, сотрясающие нашу планету, всегда вызывали у человечества страх и трепет. Научное понимание этих явлений, хоть и развивалось веками, до сих...

Обзор механической клавиатуры AULA F75

Механическая клавиатура AULA F75 — это компактная и функциональная модель, предназначенная для геймеров и для любителей компактных моделей. Она оснащена механическими переключателями,...

Темная сторона космоса: что скрывает загадка параметра Хаббла?

Космос, казалось бы, распахнул свои двери перед пытливым человеческим разумом. Новые телескопы, усовершенствованные методы анализа данных и гениальные теоретические модели — все это...

Обзор тихой механики Zone51 CITRIN: бесшумные переключатели и формат 85%

Многие знают, что механические клавиатуры должны издавать звуки. Для некоторых это главный критерий при выборе, а кому-то нравится тактильное ощущение от нажатия клавиш. Я отношусь ко вторым и...

Wildberries теперь требует подключить Госуслуги. Зачем же это нужно? Разбираемся в вопросе

Очередное нововведение от Wildberries: маркетплейс теперь требует указать личные данные с подтверждением через Госуслуги. Зачем же нужно подтверждение личных данных на подобном уровне и в...

С мая банк ВТБ опять радикально меняет кэшбек по своим картам – теперь деньгами, но безо всякой стабильности

Изменения в программе лояльности для держателей карт банка ВТБ были анонсированы давно — первые упоминания о них появились ещё в феврале. Правда информацию банк выдавал в неделю по...