Еще одна область современной физики, где поверхностные волны играют решающую роль, – это топологические квантовые системы, которые очень устойчивы к небольшим возмущениям и непрерывным деформациям. Открытие нетривиальных топологических фаз в квантовых системах конденсированного состояния и существование топологических поверхностных мод на границах раздела между топологически разными материалами привело к присуждению Нобелевской премии по физике в 2016 году.
В статье, опубликованной в Nature Communications, ученые из кластера новаторских исследований RIKEN в Японии показали, что хорошо известные поверхностные электромагнитные волны на границах раздела между однородными изотропными средами, полученные в рамках классического электромагнетизма Максвелла, также имеют чисто топологическое происхождение, аналогично в квантовые топологические состояния.
Этот новый подход освещает происхождение поверхностных электромагнитных волн и объясняет, почему эти волны появляются на границах раздела, где один из параметров среды (диэлектрическая проницаемость или магнитная проницаемость) меняет свой знак. Кроме того, количество поверхностных мод определяется количеством параметров объемной среды, меняющих свой знак на границе раздела, что в топологическом формализме называется «соответствие объем-граница».
Константин Блиох говорит: «Существует принципиальная разница между топологическим описанием поверхностных волн Максвелла и описанием ранее известных топологических поверхностных мод. До сих пор топологические свойства и классификация различных волновых систем основывались на математических свойствах гамильтониана (i.е., энергия) оператор, характеризующий систему. Напротив, топологические свойства волн Максвелла описываются так называемым оператором спиральности, который характеризует хиральность – или направленность – электромагнитных волн с круговой поляризацией. Таким образом, наша теория расширяет область применимости топологического подхода и к другим волновым системам.
Показано, что топологическая классификация может быть связана не только с гамильтонианом, но и с другими операторами, соответствующими сохраняющимся физическим величинам."
Франко Нори продолжает: «Наша работа обеспечивает новый поворот и понимание нескольких областей волновой физики: электромагнетизма Максвелла, топологических квантовых состояний и плазмоники / метаматериалов."