博科園：本文為物理學類
在為波物理學幾個領域(包括麥克斯韋電磁學、拓撲量子態和等離子體/超材料)提供見解的研究工作中，科學家們已經表明，在經典麥克斯韋電磁學中獲得的均勻各向同性介質之間的界面上著名錶面電磁波也有一個純粹的拓撲起源，類似於量子拓撲態。麥克斯韋的電磁理論形成於150年前，是物理學上的一大突破。它把電和磁結合起來，提供了包括光在內的電磁波最終描述，並預見了20世紀的相對論和場論。60多年前，科學家們發現電磁輻射不僅能在自由空間傳播，而且還能在金屬與空氣或玻璃等介質之間的界面上形成表面波。
博科園-科學科普：這促使了等離子體和超材料的發展，其中表面電磁波支撐了許多現象和有用的應用。表面波在現代物理學的另一個重要領域是拓撲量子系統，它對微小的擾動和連續的變形具有很強的魯棒性。凝聚態量子系統中非平凡拓撲相的發現，以及拓撲不同材料之間界面拓撲表面模的存在，促使了2016年諾貝爾物理學獎的誕生。現在，在《自然通訊》(Nature Communications)上發表的一篇論文中，來自日本理化學研究所(RIKEN Cluster)從事開拓性研究的科學家證明：
圖片：CC0 Public Domain
在經典麥克斯韋電磁(Maxwell's電磁學)中獲得的均勻各向同性介質界面處的著名錶面電磁波，也有一個純粹的拓撲起源，類似於量子拓撲狀態。這種新方法闡明瞭表面電磁波的起源，並解釋了為什麼這些波出現在介質參數之一(介電常數或磁導率)改變其符號的界面上。表面模態的數量由界面處改變其符號的體積-介質參數的數量決定，拓撲形式主義稱之為“體積-邊界對應”。Konstantin Bliokh說：在表面麥克斯韋波的拓撲描述和之前已知的拓撲表面模式之間有一個關鍵區別。
到目前為止，各種波系的拓撲性質和分類都依賴於哈密頓函數的數學性質。(能量)描述系統的算子，相反，麥克斯韋波的拓撲性質是由所謂的螺旋度算子來描述，螺旋度算子描述了圓極化電磁波的手性。因此理論也擴展了拓撲方法對其他波系的適用性。這表明拓撲分類不僅與哈密頓函數有關，而且與其它與守恆物理量對應的算子有關。研究工作為波物理學的幾個領域提供了新視角：麥克斯韋電磁、拓撲量子態和等離子體/超材料。
博科園-科學科普｜研究/來自: 日本理化研究所
參考期刊文獻:《Nature Communications》
DOI: 10.1038/s41467-019-08397-6
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