准晶具有长程有序却缺乏平移周期性，其五重、七重等旋转对称性突破了传统周期性晶体的限制。借助高维投影，人们可以将准晶理解为高维周期结构在低维空间的映射，进而探索隐藏于其内部的高维拓扑性质。然而，相关研究主要集中于量子与光学体系，如何在宏观经典波系统中观测这些拓扑结构的动态演化，并利用其产生的力学效应，仍是值得探索的科学问题。

我校陈锦辉副教授、陈焕阳教授与中国科学技术大学蒋建华教授在水波体系中构建五重旋转对称的准晶晶格，揭示其高维拓扑分类与动态斯格明子结构，并实现对漂浮颗粒的稳定捕获和旋转操控。9月29日，相关成果以“Quasicrystal Topological Hydrodynamics”为题发表于国际物理学期刊Physical Review X。

图1.准晶拓扑水波动力学示意图。五束准平面水波干涉形成准晶晶格，实现漂浮颗粒的捕获与旋转；水波合成矢量场中呈现边界随时间演化的动态斯格明子。

研究团队利用五边形装置的五条边作为独立波源，产生振幅和频率相同、传播方向和相位不同的准平面水波。通过调节各波源的相位，构建了不同激发参数Q对应的准晶水波场，并采用快速棋盘格解调方法，从相机视频记录中重建水面位移，追踪准晶晶格的时空演化。研究发现，不同激发条件下的准晶水波场，在实空间中具有相同的相位奇点类型，并可在不同时刻呈现近乎一致的空间图案。仅依据二维图案和局域相位奇点，难以区分这些状态。为此，研究团队将水面位移及其面内梯度结合，构造三维矢量场，并在准晶的四维参数空间中引入高维拓扑电荷矢量，即博格斯矢量，为不同准晶状态提供更完整的拓扑描述。

斯格明子是一类具有非平凡拓扑性质的矢量场纹理。水波的低频、宏观尺度特征，使研究人员能够在真实空间和时间中追踪其演化。研究团队通过归一化三维位移矢量场，揭示了准晶水波中的斯格明子结构，并在实验中验证其动态边界与取向变化。在一个水波演化周期内，斯格明子边界可在近似五边形、圆形和倒五边形之间转换，同时发生形变与传播。这种演化与干涉水波的时间相位引起的类相位子运动有关，体现了准晶区别于周期晶格的动力学特征。局部区域的斯格明子纹理可能短暂变得无法定义或消失，但在整个准晶波场中，其他区域仍持续存在可辨识的斯格明子结构。

此外，水波的机械位移场携带动量和角动量，其拓扑结构能够通过波致力与力矩产生直接可见的机械效应。研究团队结合力场与力矩分析，利用准晶水波中的相位奇点，在特定位置稳定捕获漂浮颗粒并驱动其旋转，将波场的拓扑信息转化为颗粒运动。

该研究将高维拓扑分类、准晶斯格明子动力学与颗粒机械响应联系起来，为探索非周期结构中的拓扑流体动力学提供了宏观实验平台。水波场可直接观测、可通过波源相位调控的特点，也为水环境中的颗粒操控提供了新的思路，并为进一步面向微流控、生物医学及芯片实验室等应用的研究奠定物理基础。

该论文通讯作者是厦门大学陈锦辉副教授、陈焕阳教授与中国科学技术大学蒋建华教授，论文共同第一作者为厦门大学2023级博士生段俊良、南京航空航天大学助理教授胡传捷和湖南大学2024级博士生宁佳运。该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、深圳市科技计划、福建省自然科学基金等支持。