Die Forscher liefern eine theoretische Beschreibung topologischer Wasserwellenstrukturen

Topologische Wellenstrukturen sind Wellenmuster, die bestimmte topologische Eigenschaften aufweisen, also Eigenschaften, die bei glatten Verformungen des physikalischen Systems unverändert bleiben. Diese Strukturen wie Wirbel und Skyrmionen haben in der physikalischen Forschungsgemeinschaft großes Interesse geweckt.

Während Physiker umfangreiche Studien mit Schwerpunkt auf topologischen Wellenstrukturen in verschiedenen Wellensystemen durchgeführt haben, ist es überraschend, dass das klassischste Beispiel noch unerforscht ist. Hierbei handelt es sich um Wasserwellen, Schwingungen oder Störungen, die sich über die Oberfläche von Wasser oder anderen Flüssigkeiten ausbreiten.

Forscher des RIKEN-Instituts haben kürzlich damit begonnen, diese Lücke in der Literatur zu schließen, indem sie verschiedene topologische Strukturen von Wasserwellen beschreiben. Sie Papierveröffentlicht in Briefe zur körperlichen UntersuchungEs bietet einen theoretischen Rahmen, der zukünftige Experimente zur Simulation topologischer Wellenphänomene unterstützen kann.

„Ich arbeite seit fast 20 Jahren an topologisch nicht trivialen Wellenstrukturen wie Wellenwirbeln, Skyrmionen usw.“, sagte Konstantin Plyukh, Co-Autor der Arbeit, gegenüber Phys.org. „Zuerst habe ich mich auf optische (elektromagnetische) Felder konzentriert, dann auf Quantenelektronenwellen und in jüngerer Zeit auf Schallwellenfelder. Erst kürzlich wurde mir klar, dass solche topologischen Strukturen für den offensichtlichsten Typ klassischer Wellen, Wasser, nicht systematisch untersucht wurden.“ Wellen.“

In ihrer Arbeit liefern Pleuch und Mitarbeiter eine theoretische Beschreibung von vier verschiedenen Arten topologischer Wellenstrukturen. Dazu gehören Wasserwellenwirbel, die einen Quantendrehimpuls mit Orbital- und Rotationsbeiträgen tragen, an der Wasseroberfläche gebildete Skyrmion- und Meron-Gitter sowie räumlich-zeitliche Wasserwellenwirbel und Skyrmionen.

„Die Hauptwellenphänomene haben aufgrund der mathematischen Ähnlichkeit zwischen den verschiedenen Wellengleichungen einen universellen Charakter für Wellen unterschiedlicher Natur, klassischer und Quantenwellen“, erklärte Pleuch. „In unserem Fall mussten wir die Analyse, die zuvor für elektromagnetische, akustische und quantenmechanische Wellengleichungen entwickelt wurde, auf Gleichungen anwenden, die lineare Wellen (sowohl Gravitations- als auch Kapillarwellen) auf der Wasseroberfläche beschreiben.“

Aktuelle Arbeiten dieses Forscherteams zeigen, dass klassische Wasserwellen topologisch nicht triviale Strukturen mit interessanten physikalischen Eigenschaften aufweisen können. Die in ihrer Arbeit beschriebenen theoretischen Beschreibungen dieser Strukturen können zukünftige Studien und experimentelle Bemühungen mit Schwerpunkt auf der Strömungsmechanik beeinflussen.

„In den letzten Jahrzehnten haben Wellenwirbel viele Anwendungen in optischen, akustischen und Quantensystemen gefunden“, sagte Pleuch. „Wir erwarten natürlich, dass dies auch in hydrodynamischen Systemen geschieht. Insbesondere erwarten wir, dass die dynamischen Eigenschaften von Wasserwellenwirbeln für die mikrofluidische Manipulation kleiner Moleküle, einschließlich biomedizinischer Objekte, genutzt werden können.“

Diese aktuelle Arbeit ebnet nicht nur den Weg für neue Forschungen zur Strömungsmechanik, sondern zeigt auch, dass Wasserwellen ein leistungsstarkes Werkzeug zur Modellierung komplexer Wellenphänomene sein können, die in anderen Wellensystemen, beispielsweise Quantensystemen, schwer zu beobachten sind. Pleuch und seine Kollegen werden nun versuchen, die von ihnen theoretisch beschriebenen Strukturen im Labor zu beobachten.

„In unseren nächsten Studien planen wir, Wasserwellenstrukturen (Wirbel, Wolken etc.), die in unserer Arbeit theoretisch beschrieben wurden, experimentell zu beobachten“, fügte Pleuch hinzu. „Wir sind diesem Ziel bereits ein gutes Stück näher gekommen.“