Les chercheurs proposent une description théorique des structures topologiques des vagues d’eau

Image d'un « skyrmion d'onde d'eau » (c'est-à-dire une structure dans laquelle les particules de surface de l'eau d'une certaine zone sont déplacées dans toutes les directions possibles, cartographiées sur la sphère de directions) dans l'interférence de trois ondes d'eau planes avec le même fréquence et amplitude mais directions de propagation différentes. Crédit :Smirnova et al

Les structures d'ondes topologiques sont des modèles d'ondes qui présentent des propriétés topologiques spécifiques, ou en d'autres termes, des propriétés qui restent inchangées sous les déformations douces d'un système physique. Ces structures, telles que les vortex et les skyrmions, ont beaucoup attiré l'attention de la communauté des chercheurs en physique.

Alors que les physiciens ont mené des études approfondies axées sur les structures topologiques des ondes dans divers systèmes de vagues, leur exemple le plus classique reste étonnamment inexploré. Ce sont des vagues d'eau, des oscillations ou des perturbations qui se propagent à la surface de l'eau ou d'un autre fluide.

Les chercheurs du RIKEN ont récemment entrepris de combler cette lacune dans la littérature en proposant une description de diverses structures topologiques des vagues d'eau. Leur article, publié dans Physical Review Letters , offre un cadre théorique qui pourrait éclairer de futures expériences visant à émuler les phénomènes d'ondes topologiques.

"Je travaille sur des structures d'ondes topologiquement non triviales, telles que les vortex d'ondes, les skyrmions, etc., depuis près de 20 ans", a déclaré Konstantin Y. Bliokh, co-auteur de l'article, à Phys.org. "D'abord, je me suis concentré sur les champs optiques (électromagnétiques), puis sur les ondes électroniques quantiques et, plus récemment, sur les champs d'ondes acoustiques. Ce n'est que récemment que j'ai réalisé que de telles structures topologiques n'avaient pas été systématiquement étudiées pour le type d'ondes classiques le plus évident :les ondes d'eau. ."

Dans leur article, Bliokh et ses collaborateurs fournissent une description théorique de quatre types différents de structures d'ondes topologiques. Il s'agit notamment des vortex d'ondes d'eau transportant un moment cinétique quantifié avec des contributions orbitales et de spin, des réseaux de skyrmions et de mérons formés à la surface de l'eau, ainsi que des vortex d'ondes d'eau et des skyrmions spatio-temporels.

"Les principaux phénomènes ondulatoires ont un caractère universel pour des ondes de nature différente, à la fois classiques et quantiques, en raison de la similitude mathématique des différentes équations d'ondes", a expliqué Bliokh. "Dans notre cas, nous avons dû appliquer l'analyse, précédemment développée aux équations des ondes électromagnétiques, acoustiques et de mécanique quantique, aux équations décrivant les ondes linéaires (gravitaires ou capillaires) à la surface de l'eau."

Les travaux récents de cette équipe de chercheurs montrent que les vagues d’eau classiques peuvent présenter des structures topologiquement non triviales dotées de propriétés physiques intéressantes. Les descriptions théoriques de ces structures présentées dans leur article pourraient éclairer de futures études et efforts expérimentaux axés sur la mécanique des fluides.

"Au cours des dernières décennies, les vortex d'ondes ont trouvé de nombreuses applications dans les systèmes optiques, acoustiques et quantiques", a déclaré Bliokh. "Il est naturel de s'attendre à ce que cela se produise également dans les systèmes hydrodynamiques. En particulier, nous espérons que les propriétés dynamiques des vortex des vagues d'eau pourront être utilisées pour la manipulation microfluidique de petites particules, y compris des objets biomédicaux."

En plus d’ouvrir la voie à de nouvelles recherches explorant la mécanique des fluides, cet article récent montre que les vagues d’eau pourraient constituer un outil robuste pour modéliser des phénomènes ondulatoires complexes difficiles à observer dans d’autres systèmes ondulatoires, tels que les systèmes quantiques. Bliokh et ses collègues vont maintenant tenter d'observer les structures qu'ils ont théoriquement décrites en laboratoire.

"Dans nos prochaines études, nous prévoyons d'observer expérimentalement les structures des vagues d'eau (vortex, skyrmions, etc.), qui ont été décrites théoriquement dans nos travaux", a ajouté Bliokh. "Nous avons déjà fait de bons progrès vers cet objectif."

Plus d'informations : Daria A. Smirnova et al., Vortices et skyrmions de vagues d'eau, Physical Review Letters (2024). DOI :10.1103/PhysRevLett.132.054003. Sur arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2308.03520

Informations sur le journal : Lettres d'examen physique , arXiv