Una nueva investigación muestra que las ondas ecuatoriales, pulsos de agua cálida del océano que juegan un papel en la regulación del clima de la Tierra, son impulsadas por la misma dinámica que los materiales exóticos conocidos como aislantes topológicos. Ondas ecuatoriales de Kelvin, que son responsables de la Oscilación El Niño-Sur, viajar de oeste a este. Otro tipo de onda ecuatorial, las ondas de Rossby, se mueven en la dirección opuesta. Crédito:Deplace / Marston / Venaille
Aisladores topológicos, materiales que aíslan en el interior pero conducen la electricidad a lo largo de sus bordes exteriores, han creado un gran revuelo en la física de la materia condensada. Ahora un nuevo estudio en la revista Ciencias muestra que el mismo comportamiento topológico que rige estos materiales exóticos también impulsa las ondas ecuatoriales:pulsos de agua cálida del océano que desempeñan un papel importante en la regulación del clima de la Tierra, incluyendo El Niño-Oscilación del Sur.
"Estas ondas fueron descubiertas por geofísicos en la década de 1960, pero les faltaba una comprensión profunda de por qué existían, "dijo Brad Marston, profesor de física en la Universidad de Brown y coautor del nuevo estudio. "Lo que hemos demostrado es que tienen el mismo origen que las ondas que son importantes en la física del estado sólido:las ondas de electrones que viajan alrededor de los bordes de los aislantes topológicos".
La investigación se inspiró en un tipo especial de aislante topológico que exhibe lo que se conoce como efecto Hall cuántico. que fue descubierto en 1980. La topología juega un papel esencial en el efecto Hall cuántico fue reconocido por el Premio Nobel de Física 2016 que fue otorgado a un trío de físicos, incluido Michael Kosterlitz de la Universidad de Brown.
En el efecto Hall cuántico, un campo magnético hace que los electrones dentro de un material semiconductor viajen en círculos llamados órbitas de ciclotrón. Ese movimiento circular evita que un flujo de electrones, una corriente, se mueva a través del material, excepto en los bordes exteriores del material. Allí, los electrones solo pueden completar un semicírculo antes de quedarse sin espacio y chocar contra el borde. Debido a que todos los electrones en un borde dado ejecutan su movimiento en la misma dirección, todos esos semicírculos pueden unirse y formar una corriente de borde. Por lo tanto, Los aisladores topológicos conducen por fuera y aíslan por dentro.
Marston y sus colaboradores, Pierre Delplace y Antoine Venaille de la Universidad de Lyon en Francia, mostró que dinámicas análogas están en juego con las ondas ecuatoriales de la Tierra. En el caso de la Tierra, el papel del campo magnético lo desempeña el efecto Coriolis, una fuerza aparente causada por la rotación del planeta. Es lo que hace que los huracanes giren en direcciones opuestas en los hemisferios norte y sur. El papel del borde lo juega el ecuador, donde se rompe la fuerza de Coriolis.
"En cada uno de los dos hemisferios, tienes la fuerza de Coriolis empujando en direcciones opuestas, ", Dijo Marston." Eso atrapa las ondas en el ecuador de una manera muy similar a cómo la corriente en un aislante topológico queda atrapada en sus bordes. Si bien la Tierra no tiene un 'borde' per se, el ecuador son esencialmente los bordes de los dos hemisferios unidos ".
Las matemáticas detrás de los dos fenómenos, Marston y sus colegas mostraron, es esencialmente idéntico.
"Si observa en artículos recientes de física del estado sólido los diagramas que describen la dispersión de electrones en un aislante topológico, las parcelas se ven exactamente como el diagrama de un libro de texto de geofísica que describe la dispersión de las ondas ecuatoriales, ", Dijo Marston." Cuando se descubrieron los aislantes topológicos hace una década, era nueva física, pero para nuestra sorpresa, la Tierra lo ha estado haciendo todo el tiempo ".
La investigación ayuda a explicar la existencia de varios tipos de ondas ecuatoriales. Uno de ellos, conocida como la onda Kelvin ecuatorial, entrega pulsos periódicos de agua caliente a la costa de América del Sur, que es la oscilación de El Niño. Los hallazgos también explican cómo estas olas persisten a pesar de ser golpeadas por tormentas y vientos cambiantes. y cómo pasan directamente por islas de las que se podría esperar que las olas se dispersen.
"En aisladores topológicos, la corriente puede moverse a través de las impurezas en el material como si no estuvieran allí, ", Dijo Marston." Eso es debido a su naturaleza topológica, y nos ayuda a comprender por qué las ondas ecuatoriales y la oscilación de El Niño persisten a pesar de ser empujadas por el clima y otros obstáculos ".
Además de ayudar a explicar la persistencia de los ciclos de El Niño, Marston dice que es probable que estas mismas dinámicas estén sucediendo en otras partes del sistema climático:en la atmósfera superior, por ejemplo. Reconocer la naturaleza topológica de estos fenómenos podría ayudar a profundizar la comprensión de los científicos sobre cómo funcionan, Dice Marston.
"En la práctica, esto nos dará nuevas formas de identificar este tipo de dinámica climática observando la topología, ", dijo." Podríamos ser capaces de encontrar y comprender estructuras topológicas que pueden haber pasado por alto antes ".