Los investigadores ofrecen una descripción teórica de las estructuras topológicas de las ondas de agua.

Imagen de un 'skyrmion de ondas de agua' (es decir, una estructura donde las partículas de la superficie del agua de cierta área se desplazan en todas las direcciones posibles, mapeadas en la esfera de direcciones) en la interferencia de tres ondas de agua planas con la Misma frecuencia y amplitud pero diferentes direcciones de propagación. Crédito:Smirnova et al

Las estructuras de ondas topológicas son patrones de ondas que exhiben propiedades topológicas específicas o, en otras palabras, propiedades que permanecen invariables bajo deformaciones suaves de un sistema físico. Estas estructuras, como los vórtices y los skyrmions, han atraído una atención significativa dentro de la comunidad de investigación en física.

Si bien los físicos han llevado a cabo extensos estudios centrados en las estructuras topológicas de las ondas en varios sistemas ondulatorios, sorprendentemente su ejemplo más clásico sigue sin explorarse. Son ondas, oscilaciones o perturbaciones del agua que se propagan sobre la superficie del agua u otro fluido.

Los investigadores de RIKEN se propusieron recientemente llenar este vacío en la literatura ofreciendo una descripción de varias estructuras topológicas de ondas de agua. Su artículo, publicado en Physical Review Letters , ofrece un marco teórico que podría informar experimentos futuros destinados a emular fenómenos de ondas topológicas.

"He estado trabajando en estructuras de ondas topológicamente no triviales, como vórtices de ondas, skyrmions, etc., durante casi 20 años", dijo a Phys.org Konstantin Y. Bliokh, coautor del artículo. "Primero, me centré en los campos ópticos (electromagnéticos), luego en las ondas cuánticas de electrones y, más recientemente, en los campos de ondas acústicas. Sólo recientemente me di cuenta de que tales estructuras topológicas no se han estudiado sistemáticamente para el tipo más obvio de ondas clásicas:las ondas de agua. ."

En su artículo, Bliokh y sus colaboradores proporcionan una descripción teórica de cuatro tipos diferentes de estructuras de ondas topológicas. Estos incluyen vórtices de ondas de agua que transportan un momento angular cuantificado con contribuciones orbitales y de espín, redes de skyrmion y redes de merón formadas en la superficie del agua, y vórtices de ondas de agua y skyrmions espaciotemporales.

"Los principales fenómenos ondulatorios tienen un carácter universal para ondas de diferente naturaleza, tanto clásicas como cuánticas, debido a la similitud matemática de las diferentes ecuaciones ondulatorias", explicó Bliokh. "En nuestro caso, tuvimos que aplicar el análisis, previamente desarrollado para ecuaciones de ondas electromagnéticas, acústicas y mecánicas cuánticas, a las ecuaciones que describen ondas lineales (ya sean gravitacionales o capilares) en la superficie del agua."

El trabajo reciente de este equipo de investigadores muestra que las ondas de agua clásicas pueden exhibir estructuras topológicamente no triviales con propiedades físicas interesantes. Las descripciones teóricas de estas estructuras descritas en su artículo podrían informar estudios futuros y esfuerzos experimentales centrados en la mecánica de fluidos.

"En las últimas décadas, los vórtices de ondas han encontrado numerosas aplicaciones en sistemas ópticos, acústicos y cuánticos", dijo Bliokh. "Es natural esperar que esto también suceda en los sistemas hidrodinámicos. En particular, esperamos que las propiedades dinámicas de los vórtices de ondas de agua puedan utilizarse para la manipulación microfluídica de partículas pequeñas, incluidos objetos biomédicos".

Además de allanar el camino para nuevas investigaciones que exploren la mecánica de fluidos, este artículo reciente muestra que las ondas de agua podrían ser una herramienta sólida para modelar fenómenos ondulatorios complejos que son difíciles de observar en otros sistemas ondulatorios, como los sistemas cuánticos. Bliokh y sus colegas ahora intentarán observar las estructuras que describieron teóricamente en entornos de laboratorio.

"En nuestros próximos estudios planeamos observar experimentalmente las estructuras de ondas de agua (vórtices, skyrmions, etc.) que fueron descritas teóricamente en nuestro trabajo", añadió Bliokh. "Ya hemos avanzado mucho hacia este objetivo."

Más información: Daria A. Smirnova et al., Vórtices de ondas de agua y Skyrmions, Cartas de revisión física (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.054003. En arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2308.03520

Información de la revista: Cartas de revisión física , arXiv