水波是一种常见的经典波，其恢复力由重力提供。地球近70.8 %的面积被海洋所覆盖，海洋波浪中蕴藏着可被利用的清洁、可再生绿色能源。但水波中也潜藏着危险，例如水波会因漂移力而破坏漂浮在水面上的设备。因此，如何利用水波并减少水波的危害已经成为水波动力学的热门研究课题，这在水波能量收集、海岸防护、近海结构保护等方面具有潜在的应用价值。

近日，复旦大学胡新华课题组与合作者在国际学术期刊Nature Reviews Physics上发表题为《Controlling water waves with artificial structures》的综述论文。厦门大学博士后朱杉、复旦大学博士生赵锌宇、厦门大学博士生韩林康是论文共同第一作者，复旦大学胡新华教授和厦门大学陈焕阳教授是共同通讯作者，复旦大学资剑教授也给予了大力支持。论文系统地介绍了利用人工结构调控水波的基本原理和方法，并对水波晶体和水波超材料的历史和未来发展做了系统综述。

论文首先回顾了利用水波晶体和水波超材料操纵水波的发展历程，总结了水波传播的基本理论，包括水波方程的线性化、水波方程的近似、电磁波与水波的对应关系以及一些用于调控水波的典型结构。接着，从光子晶体的角度讨论水波，分析了水波中周期性结构的能带结构以及与能带结构相关的特性；从超材料的角度介绍了水波超材料的基本设计思路及相关应用，包括水波的各向异性水深、水波隐身、水波聚焦、水波隔波和水波单向传播。最后，对于非线性水波、水波时变超构材料、超构水栅、水波拓扑、水波连续域中的束缚态、水波自旋、流体超构材料等重要问题和新的研究方向进行了展望。

由于水表面波的二维近似传播方程与电磁波的传播方程在形式上类似，因此可以将电磁波领域光子晶体和超材料的概念推广到水波领域，形成对应的水波晶体和水波超材料，常见的结构如下图所示：（a）水底的图案结构，（b）水中垂直的障碍结构，（c）（d）水表面阵列，（e）水中的梯度结构，（f）水中的层状结构。水波与这些结构的相互作用，为带来新的现象和创造新的应用提供了可能。

该工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划等项目的资助与支持。

原文链接：https://doi.org/10.1038/s42254-024-00701-8