风浪是在风直接作用下产生的水面波动，而水波是一种生活中常见的机械波，它广泛地存在于各种水域的表面，比如湖面的涟漪、海上的风浪、破坏力巨大的海啸，都属于水波。因为与人类生活关系密切，水波一直是科学家研究的重点。1841年，艾利给出了水波在自由水域中的波速公式和波速上限。

最近，胡新华教授课题组提出了一种新的结构体系，其中的水波速度超过了艾利发现的水波波速上限。该成果以《静止表面圆盘阵列中的快速水波》（Fast Water Waves in Stationary Surface Disk Arrays）12月15日发表在国际物理旗舰期刊《物理评论快报》（Physical Review Letters）上。

水波中有一个重要的现象是：当水深增大时，水波的速度将增大。在180年前，艾利对这一现象进行了总结性的研究。由于水波是一种表面波，水深的增加并不能无限地增加水波的波速；水波速度存在一个上限，该上限由重力加速度决定。如果要获得更大的波速，则必须增加重力加速度，而这对生活在地球上的人类来说是极为困难的。近年来，受到超材料研究的启发，人们开始研究水波与人工周期结构的相互作用。虽然许多新奇的现象得以发现，但是水波在结构水体中的速度，特别是群速度，仍然低于自由水体中速度。已研究的体系包括波浪形水底结构、周期柱子阵列和共振器阵列。在这些障碍物阵列结构中，人们只能观察到慢速水波效应。

胡新华课题组创造性地设计了一种新的周期结构体系，即在水体表面覆盖一个类似于睡莲、但是固定不动的周期圆盘阵列。在这种周期结构中，低频水波（即最低频带的水波）将感受到增大的等效重力加速度和等效水深。通过构建相应的水波棱镜，课题组观测到了奇特的水波折射和单向透射现象，由此证实了圆盘阵列中的快波效应。在圆盘阵列中，水波的相速度和群速度均可达到空旷水域中波速的1.8倍以上，大幅提升了传统理论中的水波速度上限。理论和实验结果相互印证吻合。

图1.人工水波棱镜中的单向传播效应。水的表面被465个不动的圆盘所覆盖，圆盘构成一个正方格子阵列，阵列轮廓为等腰直角三角形。 (a)实验装置示意图。水盛放在一个底部透明、侧面倾斜的容器中。通过使用幻灯片投影装置，水波的图案可投射到屏幕上。 (b)圆盘阵列的照片。利用3D打印技术，465个圆盘被打印在一块刚性板上。 (c)和 (d)实验观测的水波图案。 (e)和 (f)模拟的水波图案。若从阵列左侧入射，水波将完全反射【(c)和 (e)】。反之，若从阵列右侧入射，水波可通过阵列【(d)和 (f)】。 该单向传输现象，源自于在圆盘阵列中更大的水波相速度。

该工作为调控水波传播、海岸保护和海浪能利用提供了一个新的平台和方向。博士研究生赵锌宇为该论文的第一作者，胡新华教授为该论文的通讯作者。

文章链接：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.127.254501

文/刘岍琳