Estruturas de ondas topológicas são padrões de ondas que exibem propriedades topológicas específicas, ou em outras palavras, propriedades que permanecem inalteradas sob deformações suaves de um sistema físico. Essas estruturas, como vórtices e skyrmions, atraíram atenção significativa na comunidade de pesquisa em física.



Embora os físicos tenham realizado extensos estudos com foco em estruturas topológicas de ondas em vários sistemas de ondas, surpreendentemente o seu exemplo mais clássico permanece inexplorado. São ondas de água, oscilações ou perturbações que se propagam na superfície da água ou de outro fluido.

Pesquisadores da RIKEN decidiram recentemente preencher esta lacuna na literatura, oferecendo uma descrição de várias estruturas topológicas de ondas de água. O artigo deles, publicado em Physical Review Letters , oferece uma estrutura teórica que pode informar experimentos futuros destinados a emular fenômenos ondulatórios topológicos.

“Tenho trabalhado em estruturas de ondas topologicamente não triviais, como vórtices de ondas, skyrmions, etc., por quase 20 anos”, disse Konstantin Y. Bliokh, co-autor do artigo, ao Phys.org. "Primeiro, concentrei-me nos campos ópticos (eletromagnéticos), depois nas ondas eletrônicas quânticas e, mais recentemente, nos campos de ondas acústicas. Só recentemente percebi que tais estruturas topológicas não foram estudadas sistematicamente para o tipo mais óbvio de ondas clássicas:ondas de água ."

Em seu artigo, Bliokh e seus colaboradores fornecem uma descrição teórica de quatro tipos diferentes de estruturas de ondas topológicas. Estes incluem vórtices de ondas de água carregando momento angular quantizado com contribuições orbitais e de spin, redes skyrmion e redes meron formadas na superfície da água, e vórtices de ondas de água espaço-temporais e skyrmions.

“Os principais fenômenos ondulatórios têm caráter universal para ondas de natureza diferente, tanto clássicas quanto quânticas, devido à semelhança matemática das diferentes equações de onda”, explicou Bliokh. “No nosso caso, tivemos que aplicar a análise, previamente desenvolvida para equações de ondas eletromagnéticas, acústicas e de mecânica quântica, às equações que descrevem ondas lineares (gravitacionais ou capilares) na superfície da água.”

O trabalho recente desta equipe de pesquisadores mostra que as ondas clássicas de água podem exibir estruturas topologicamente não triviais com propriedades físicas interessantes. As descrições teóricas dessas estruturas delineadas em seu artigo poderiam informar estudos futuros e esforços experimentais com foco na mecânica dos fluidos.

"Nas últimas décadas, os vórtices de ondas encontraram inúmeras aplicações em sistemas ópticos, acústicos e quânticos", disse Bliokh. "É natural esperar que isso também aconteça em sistemas hidrodinâmicos. Em particular, esperamos que as propriedades dinâmicas dos vórtices das ondas de água possam ser empregadas para a manipulação microfluídica de pequenas partículas, incluindo objetos biomédicos."

Além de abrir caminho para novas pesquisas explorando a mecânica dos fluidos, este artigo recente mostra que as ondas de água podem ser uma ferramenta robusta para modelar fenômenos ondulatórios complexos que são difíceis de observar em outros sistemas de ondas, como os sistemas quânticos. Bliokh e seus colegas tentarão agora observar as estruturas que teoricamente descreveram em laboratório.

“Em nossos próximos estudos, planejamos observar experimentalmente as estruturas das ondas de água (vórtices, skyrmions, etc.), que foram descritas teoricamente em nosso trabalho”, acrescentou Bliokh. "Já fizemos bons progressos em direção a esse objetivo."

Mais informações: Daria A. Smirnova et al., Vórtices de ondas de água e Skyrmions, Cartas de revisão física (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.054003. No arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2308.03520
Informações do diário: Cartas de revisão física , arXiv

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