Hvad Jordens klimasystem og topologiske isolatorer har til fælles

Topologiske isolatorer, materialer, der isolerer på indersiden, men leder elektricitet langs deres yderkanter, har skabt en del buzz i det kondenserede stofs fysik. Nu en ny undersøgelse i tidsskriftet Videnskab viser, at den samme topologiske adfærd, der styrer disse eksotiske materialer, også driver ækvatorialbølger - impulser af varmt havvand, der spiller en stor rolle i reguleringen af ​​jordens klima, herunder El Niño-Sydlige Oscillation.

"Disse bølger blev opdaget af geofysikere i 1960'erne, men de manglede en dyb forståelse af, hvorfor de eksisterede, " sagde Brad Marston, en fysikprofessor ved Brown University og medforfatter til det nye studie. "Det, vi har vist, er, at de har samme oprindelse som de bølger, der er vigtige i faststoffysik - bølgerne af elektroner, der bevæger sig rundt om kanterne på topologiske isolatorer."

Forskningen var inspireret af en speciel type topologisk isolator, der udviser det, der er kendt som kvante Hall-effekten, som blev opdaget i 1980. Topologien spiller en væsentlig rolle i kvante Hall-effekten blev anerkendt af 2016 Nobelprisen i fysik, der blev tildelt en trio af fysikere, herunder Brown Universitys Michael Kosterlitz.

I kvante Hall-effekten, et magnetfelt får elektroner inde i et halvledende materiale til at bevæge sig i cirkler kaldet cyklotronbaner. Den cirkulære bevægelse forhindrer en strøm af elektroner - en strøm - i at bevæge sig hen over materialet, undtagen ved materialets yderkanter. der, elektroner kan kun fuldføre en halv cirkel, før de løber tør for fast ejendom og banker mod kanten. Fordi alle elektronerne på en given kant udfører deres bevægelse i samme retning, alle disse halvcirkler kan forbindes og danne en kantstrøm. Dermed, topologiske isolatorer leder på ydersiden og isolerer på indersiden.

Marston og hans samarbejdspartnere, Pierre Delplace og Antoine Venaille fra universitetet i Lyon i Frankrig, viste, at analog dynamik er i spil med Jordens ækvatoriale bølger. I tilfælde af Jorden, magnetfeltets rolle spilles af Coriolis-effekten - en tilsyneladende kraft forårsaget af planetens rotation. Det er det, der får orkaner til at spinde i modsatte retninger på den nordlige og sydlige halvkugle. Kantens rolle spilles af ækvator, hvor Coriolis-kraften bryder sammen.

"I hver af de to halvkugler, du har Coriolis-kraften, der skubber i modsatte retninger, " sagde Marston. "Det fanger bølgerne ved ækvator på en måde, der ligner meget, hvordan strømmen i en topologisk isolator er fanget ved dens kanter. Selvom Jorden ikke har en 'kant' i sig selv, Ækvator er i det væsentlige kanterne af de to halvkugler, der er sat sammen."

Matematikken bag de to fænomener, Marston og hans kolleger viste, er i det væsentlige identisk.

"Hvis du ser i nyere faststoffysikartikler på diagrammer, der beskriver spredningen af ​​elektroner i en topologisk isolator, plottene ligner nøjagtigt diagrammet i en geofysisk lærebog, der afbilder spredningen af ​​ækvatorialbølger, " sagde Marston. "Da topologiske isolatorer blev opdaget for et årti siden, var det ny fysik, men til vores overraskelse har Jorden gjort det hele tiden."

Forskningen er med til at forklare eksistensen af ​​flere typer ækvatorialbølger. En af dem, kendt som den ækvatoriale Kelvin-bølge, leverer periodiske pulser af varmt vand til kysten i Sydamerika, som er El Niño-svingningen. Resultaterne forklarer også, hvordan disse bølger fortsætter på trods af at de bliver ramt af storme og skiftende vind, og hvordan de passerer lige forbi øer, der kunne forventes at få bølgerne til at sprede sig.

"I topologiske isolatorer, strømmen er i stand til at bevæge sig lige gennem urenheder i materialet, som om de ikke var der, " sagde Marston. "Det er på grund af deres topologiske natur, og det hjælper os med at forstå, hvorfor ækvatorialbølger og El Niño-oscillationen fortsætter på trods af, at de bliver stødt rundt af vejret og andre forhindringer."

Ud over at hjælpe med at forklare vedvarende El Niño-cyklusser, Marston siger, at den samme dynamik sandsynligvis sker andre steder i klimasystemet - i den øvre atmosfære, for eksempel. At anerkende den topologiske natur af disse fænomener kan hjælpe med at uddybe videnskabsmænds forståelse af, hvordan de virker, siger Marston.

"Som en praktisk sag, dette vil give os nye måder at identificere denne slags klimadynamik ved at se på topologien, "sagde han." Vi kan muligvis finde og forstå topologiske strukturer, der måske er savnet før. "