Topologiske mængder flyder

Topologi er et voksende felt inden for mange videnskabelige discipliner, fører endda til en Nobel Fysikpris i 2016. Leidens fysiker Marcello Caio og hans kolleger har nu opdaget eksistensen af ​​topologiske strømme analogt med elektriske strømme. Deres forskning er publiceret i Naturfysik .

Folk tilskriver egenskaber til objekter såsom farve, temperatur og fase - gasformig, flydende eller fast. For eksempel, et specifikt punkt på overfladen af ​​en doughnut er brun, fast og ved stuetemperatur. Topologiske egenskaber er forskellige. De indeholder oplysninger om hele objektet. For eksempel, en doughnut har et hul. Det er umuligt at tælle antallet af huller ved at fokusere på en bestemt del af doughnut. Du skal overveje det som en helhed. Topologi har vist sig at være vigtig på mange videnskabelige områder. I 2016, for eksempel, arbejde med topologi blev anerkendt med Nobelprisen i fysik.

Det såkaldte Chern-indeks er et andet, omend meget abstrakt, topologisk mængde. Dette er et specielt tilfælde inden for topologi. For nylig, det blev opdaget, at Chern -indekset har en densitet - kaldet Chern -markøren. Dette giver information om topologien i et helt system, selv ved bare at se på det lokale niveau. Den heltrukne linje i figur 1 viser den rumlige fordeling af Chern -markøren, hvor hvert lokalt punkt har sin egen værdi. (Bemærk, at denne graf ikke giver mening for en global ejendom som antallet af huller i et objekt.) De lokale punkter skal dog overholde en regel på globalt niveau:gennemsnittet af alle lokale værdier skal altid være nul.

Leidens fysiker Marcello Caio, sammen med et team af forskere fra Det Forenede Kongerige, har nu opdaget, at hvis du forstyrrer et system, de lokale Chern -værdier fordeles ved at flyde fra grænserne mod det indre af systemet. I modsætning, globale topologiske egenskaber er robuste mod forstyrrelser - antallet af huller i en doughnut ændrer sig først efter en stor bid. I figur 1, en forstyrrelse får grafen til at omforme for fortsat at opfylde kravet om, at dens integral skal være nul. Caio og hans kolleger opdagede, at dette ikke sker øjeblikkeligt, så der skal være et flow af Chern -markøren gennem systemet. Dette udgør topologisk strøm, i analogi med en konventionel elektrisk strøm.

Caio siger, "I den fjerne fremtid, dette kunne muliggøre udvikling af nye apparater baseret på topologiske strømme ved siden af ​​elektriske strømme. Der er mange forskningssteder i denne retning. Er der andre måder at oprette denne strøm på? Kan vi styre dem? Der er mange spændende muligheder. "