En un trabajo que proporciona conocimientos para varias áreas de la física de las olas, incluido el electromagnetismo de Maxwell, estados cuánticos topológicos, y plasmónicos / metamateriales, Los científicos han demostrado que las ondas electromagnéticas de superficie conocidas en las interfaces entre medios isotrópicos homogéneos, obtenido dentro del electromagnetismo clásico de Maxwell, también tienen un origen puramente topológico, similar a los estados topológicos cuánticos.

Teoría electromagnética de Maxwell, que se formuló hace 150 años, fue uno de los mayores avances de la física. Unió electricidad y magnetismo, proporcionó una descripción definitiva de las ondas electromagnéticas, incluida la luz, y la relatividad anticipada y las teorías de campo del siglo XX. Más recientemente, hace más de 60 años, Los científicos descubrieron que la radiación electromagnética no solo puede propagarse en el espacio libre, sino que también puede formar ondas superficiales en las interfaces entre los medios. como entre metales y aire o vidrio. Esto resultó en el desarrollo de plasmónicos y metamateriales, donde las ondas electromagnéticas superficiales sustentan una serie de fenómenos y aplicaciones útiles.

Otra área de la física moderna donde las ondas superficiales juegan un papel crucial son los sistemas cuánticos topológicos, que son muy robustos frente a pequeñas perturbaciones y deformaciones continuas. El descubrimiento de fases topológicas no triviales en sistemas cuánticos de materia condensada y la existencia de modos de superficie topológicos en interfaces entre materiales topológicamente diferentes dieron como resultado el Premio Nobel de Física en 2016.

Ahora, en un artículo publicado en Comunicaciones de la naturaleza , Los científicos del RIKEN Cluster for Pioneering Research en Japón han demostrado que las conocidas ondas electromagnéticas de superficie en las interfaces entre medios isotrópicos homogéneos, obtenido dentro del electromagnetismo clásico de Maxwell, también tienen un origen puramente topológico, similar a los estados topológicos cuánticos.

Este nuevo enfoque ilumina el origen de las ondas electromagnéticas superficiales y explica por qué estas ondas aparecen en interfaces donde uno de los parámetros del medio (permitividad dieléctrica o permeabilidad magnética) cambia de signo. Es más, el número de modos de superficie está determinado por el número de parámetros del medio a granel que cambian sus signos en la interfaz, que se llama "correspondencia de límites de volumen" en el formalismo topológico.

Konstantin Bliokh dice:"Existe una diferencia crucial entre la descripción topológica de las ondas superficiales de Maxwell y la de los modos de superficie topológicos previamente conocidos. Hasta ahora, Las propiedades topológicas y la clasificación de varios sistemas de ondas se han basado en propiedades matemáticas del hamiltoniano (es decir, energía) operador que caracteriza el sistema. A diferencia de, las propiedades topológicas de las ondas de Maxwell son descritas por el llamado operador de helicidad, que caracteriza la quiralidad, o la mano, de las ondas electromagnéticas polarizadas circularmente. Por lo tanto, nuestra teoría también amplía el rango de aplicabilidad del enfoque topológico a otros sistemas de ondas. Muestra que la clasificación topológica puede asociarse no solo con el hamiltoniano sino también con otros operadores correspondientes a cantidades físicas conservadas ".

Franco Nori dice:"Nuestro trabajo proporciona un nuevo giro y conocimientos para varias áreas de la física de ondas:electromagnetismo de Maxwell, estados cuánticos topológicos, y plasmónicos / metamateriales ".