El planteo previo, según los investigadores involucrados, no se trata de una fantasía, sino de una realidad fascinante que ha sido develada por una investigación pionera publicada en Nature. El concepto de topología, estructura topológica o física topológica, que en su día se consideró una rama esotérica de las matemáticas y la física, hoy está causando sensación (literalmente) en nuestra vida cotidiana, según el artículo.
Adentrémonos en él: ‘La topología, una fascinante rama moderna de las matemáticas que estudia las propiedades conservadas bajo deformaciones continuas, ha revolucionado la física moderna. El Premio Nobel de Física 2016 fue otorgado por los descubrimientos teóricos de las transiciones de fase topológicas y las fases topológicas de la materia, destacando el profundo impacto de la topología en nuestra comprensión de los sistemas físicos.
En particular, la observación de nuevas estructuras topológicas en diversos campos físicos del espacio real, por ejemplo, las bandas de Möbius en campos de luz Science 347, 964 (2015), vórtices con cargas topológicas en ondas de electrones, neutrones y atómicas Nature 467, 301 (2010), Science 331, 192 (2011), Nature 525, 504 (2015), Science 373, 1105 (2021), topologías de cuasipartículas de skyrmion y meron descubiertas en imanes Nat Rev Phys 2, 492–498 (2020), Nat Rev Mater 2, 17031 (2017), cristales líquidos Science 365,1449-1453 (2019) y campos ópticos Science 361, 993 (2018), Nature 588, 616 (2020), Nat. Photon. 18, 15–25 (2024), por nombrar algunos. Estos descubrimientos no sólo han profundizado nuestro conocimiento de los fenómenos cuánticos y clásicos, como el efecto Hall topológico, sino que también han allanado el camino para posibles aplicaciones en el procesamiento de información protegida topológicamente y otras tecnologías avanzadas.
Además, no es necesario demostrar la enorme importancia del atrapamiento óptico y la manipulación de partículas Nature 424, 810 (2003) que dio lugar al Premio Nobel de Física de 2018 por el atrapamiento de partículas, así como de las manipulaciones acústicas implicadas en numerosas aplicaciones biomédicas Nat. Methods 15, 1021 (2018), Nat. Rev. Phys. 2, 480 (2020), Nat. Rev. Phys. 6, 231 (2024).
¡Sorprendentemente! Ahora, la misma sustancia que sustenta la vida en la Tierra, el agua, ha emergido como una nueva frontera para explorar diversas estructuras topológicas, física topológica profunda y la interacción onda-materia. Un grupo de colaboración internacional, que incluye al profesor asistente de la Universidad Tecnológica de Nanyang (NTU) Yijie Shen en Singapur, al físico teórico de renombre internacional Konstantin Bliokh, ahora profesor Ikerbasque en el Centro Internacional de Física de Donostia (DIPC) en España, y un grupo de física experimental dirigido por el profesor Lei Shi en la Universidad de Fudan en China, no sólo generó experimentalmente por primera vez varias estructuras topológicas importantes en ondas de agua (skyrmions, merones, Möbius y vórtices con diferentes cargas topológicas), sino que también observó la manipulación de partículas flotantes utilizando ondas de agua topológicas y describió cómo el movimiento de espín-orbital de las partículas está relacionado con las topologías de las ondas. (Fig.1).
Estos hallazgos fueron publicados en la revista Nature en febrero de 2025, y no sólo abren un nuevo capítulo en el campo de la mecánica ondulatoria general, sino que también tienen el potencial de revolucionar la microfluídica, la ingeniería biomédica y más allá.
El mundo oculto de las ondas topológicas en el agua #
Cuando pensamos en las ondas del agua, es posible que nos imaginemos suaves ondulaciones en un estanque o las olas rompientes del océano. Pero debajo de esta superficie familiar se esconde un mundo de estructuras y patrones complejos. Los investigadores han demostrado que, interfiriendo cuidadosamente ondas planas en una superficie de agua, se pueden crear patrones intrincados que presentan características topológicas no triviales. Por ejemplo, demuestran que un conjunto infinito de ondas planas, con sus oscilaciones retardadas de manera secuencial, pueden interferir para formar un vórtice de fase, un punto de amplitud cero donde la fase del campo de ondas se envuelve de una manera descrita por una carga topológica entera (Fig. 2).
De topologías misteriosas a la manipulación mágica de ondas #
Imaginemos una superficie de agua ondulante en la que los científicos, mediante un control preciso de las ondas de agua que interfieren, crean patrones complejos que funcionan como “trampas” microscópicas. Estos patrones, generados mediante la cuidadosa orquestación de la interacción de múltiples ondas de agua planas, forman estructuras como vórtices de ondas, skyrmions y bandas de Möbius. Estas estructuras constituyen más que simples patrones hermosos; son la clave para manipular partículas con una precisión increíble.
En sus experimentos, los investigadores utilizaron una matriz hexagonal para generar vórtices de ondas que pudieran atrapar partículas en sus centros. Al manipular aún más los patrones de ondas con una fuente de ondas circular, también crearon vórtices de tipo Bessel con diferentes cargas topológicas.
Además, lograron un control aún más sofisticado sobre las partículas, guiándolas a lo largo de trayectorias específicas e induciendo movimientos tanto orbitales como giratorios. Este nivel de control sobre partículas microscópicas mediante ondas de agua no tiene precedentes y abre un mundo de posibilidades. Sabemos que se pueden construir varias topologías en varios campos de ondas físicas, pero nunca hemos estudiado cómo estos campos de ondas topológicos interactúan con la materia. Además, las ondas estructuradas tanto ópticas como acústicas son cruciales para manipular objetos pequeños, desde átomos hasta objetos biológicos macroscópicos. Ahora, se demostró la manipulación eficiente de partículas flotantes de longitud de onda y sublongitud de onda con ondas de agua estructuradas topológicamente. Esto incluye la captura de diferentes tipos de partículas, desde pequeñas partículas de espuma hasta pelotas de ping-pong en las zonas de campo de alta intensidad de las ondas topológicas en el agua. Una propiedad existente de las ondas en el agua es que su topología se puede controlar y transferir a la materia, es decir, su órbita y giro se pueden controlar debido a los momentos angulares orbitales y de giro de las ondas en el agua. Estos resultados revelan la contraparte de las ondas de agua en los campos ópticos y acústicos, generalizando especialmente la interacción de materia ligera a interacciones generales de materia onda, lo que allana el camino para aplicaciones en hidrodinámica, microfluídica y sustentabilidad ambiental [Fig. 3].
Una nueva frontera en la física: nunca detener la búsqueda del descubrimiento #
De hecho, mientras que las manipulaciones ópticas funcionan con longitudes de onda del orden de micrones, las manipulaciones acústicas ocupan el rango de decenas de micrones a milímetros, las ondas de agua pueden funcionar eficientemente en el rango siguiente de milímetros a centímetros (como en nuestros experimentos) y más allá, hasta olas oceánicas colosales. El nacimiento de las ondas de agua topológicas está en línea con el creciente interés en el control inteligente de las ondas de agua lineales inspirado por los logros en sistemas ópticos y acústicos avanzados.
Esta investigación pionera publicada en Nature es un testimonio de la incesante búsqueda del descubrimiento científico, expresó el equipo. Los investigadores no sólo han hecho realidad lo aparentemente imposible, sino que también han sentado las bases para futuras innovaciones. Como afirmó uno de los investigadores principales: “Sólo hemos dado el primer paso; todavía quedan incontables posibilidades por explorar”.
Este logro en mecánica de fluidos es más que un simple avance científico: es una chispa que enciende la imaginación y alimenta el impulso hacia el progreso. Al mirar hacia el futuro, las posibles aplicaciones de esta tecnología son tan ilimitadas como nuestra curiosidad. Esperemos con entusiasmo la próxima ola de descubrimientos que, sin duda, transformarán nuestro mundo.
- El paper Topological water-wave structures manipulating particles fue publicado en Nature. Autores: Bo Wang, Zhiyuan Che, Cheng Cheng, Caili Tong, Lei Shi, Yijie Shen, Konstantin Y. Bliokh & Jian Zi