Fysikere afdækker den topologiske oprindelse af overfladeelektromagnetiske bølger

I arbejde, der giver indsigt i flere områder af bølgefysik, herunder Maxwell elektromagnetisme, topologiske kvantetilstande, og plasmonik/metamaterialer, forskere har vist, at de velkendte overfladeelektromagnetiske bølger ved grænseflader mellem homogene isotrope medier, opnået inden for klassisk Maxwells elektromagnetisme, også har en rent topologisk oprindelse, ligner kvantetopologiske tilstande.

Maxwells elektromagnetiske teori, som blev formuleret for 150 år siden, var et af de største gennembrud inden for fysik. Det forenede elektricitet og magnetisme, gav en ultimativ beskrivelse af elektromagnetiske bølger, herunder lys, og forventede relativitet og feltteorier fra det 20. århundrede. For nylig, for mere end 60 år siden, forskere fandt ud af, at elektromagnetisk stråling ikke kun kan forplante sig i det frie rum, men også kan danne overfladebølger ved grænseflader mellem medier, såsom mellem metaller og luft eller glas. Dette resulterede i udviklingen af ​​plasmonik og metamaterialer, hvor overfladeelektromagnetiske bølger understøtter en række fænomener og nyttige anvendelser.

Et andet område af moderne fysik, hvor overfladebølger spiller en afgørende rolle, er topologiske kvantesystemer, som er meget robuste mod små forstyrrelser og kontinuerlige deformationer. Opdagelsen af ​​utrivelige topologiske faser i kvantesystemer med kondenseret materiale og eksistensen af ​​topologiske overfladetilstande ved grænseflader mellem topologisk forskellige materialer resulterede i Nobelprisen i fysik i 2016.

Nu, i et papir udgivet i Naturkommunikation , forskere fra RIKEN-klyngen for banebrydende forskning i Japan har vist, at de velkendte elektromagnetiske overfladebølger ved grænseflader mellem homogene isotropiske medier, opnået inden for klassisk Maxwells elektromagnetisme, også har en rent topologisk oprindelse, ligner kvantetopologiske tilstande.

Denne nye tilgang belyser oprindelsen af ​​overfladeelektromagnetiske bølger og forklarer, hvorfor disse bølger vises på grænseflader, hvor en af ​​de medieparametre (dielektrisk permittivitet eller magnetisk permeabilitet) ændrer sit tegn. I øvrigt, antallet af overfladetilstande bestemmes af antallet af bulk-medium parametre, der ændrer deres tegn ved grænsefladen, som kaldes "bulk-border correspondance" i den topologiske formalisme.

Konstantin Bliokh siger, "Der er en afgørende forskel mellem den topologiske beskrivelse af overflade Maxwell -bølger og den for tidligere kendte topologiske overfladetilstande. Indtil videre har topologiske egenskaber og klassificering af forskellige bølgesystemer har påberåbt sig matematiske egenskaber hos hamiltonske (dvs. energi) operatør, der kendetegner systemet. I modsætning, de topologiske egenskaber ved Maxwells bølger er beskrevet af den såkaldte helicitetsoperatør, som kendetegner chiralitet-eller håndethed-af cirkulært polariserede elektromagnetiske bølger. Dermed, vores teori udvider også anvendelsesområdet for den topologiske tilgang til andre bølgesystemer. Det viser, at den topologiske klassificering ikke kun kan associeres med Hamiltonian, men også med andre operatører, der svarer til bevarede fysiske størrelser. "

Franco Nori siger, "Vores arbejde giver et nyt twist og indsigt for flere områder inden for bølgefysik:Maxwell elektromagnetisme, topologiske kvantetilstande, og plasmonik/metamaterialer. "