终于揭示了表面电磁波的拓扑起源!

终于揭示了表面电磁波的拓扑起源!
2019年05月17日 16:13 新浪网 作者 博科园

终于揭示了表面电磁波的拓扑起源!

在为波物理学几个领域(包括麦克斯韦电磁学、拓扑量子态和等离子体/超材料)提供见解的研究工作中,科学家们已经表明,在经典麦克斯韦电磁学中获得的均匀各向同性介质之间的界面上著名表面电磁波也有一个纯粹的拓扑起源,类似于量子拓扑态。麦克斯韦的电磁理论形成于150年前,是物理学上的一大突破。它把电和磁结合起来,提供了包括光在内的电磁波最终描述,并预见了20世纪的相对论和场论。60多年前,科学家们发现电磁辐射不仅能在自由空间传播,而且还能在金属与空气或玻璃等介质之间的界面上形成表面波。

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博科园-科学科普:这促使了等离子体和超材料的发展,其中表面电磁波支撑了许多现象和有用的应用。表面波在现代物理学的另一个重要领域是拓扑量子系统,它对微小的扰动和连续的变形具有很强的鲁棒性。凝聚态量子系统中非平凡拓扑相的发现,以及拓扑不同材料之间界面拓扑表面模的存在,促使了2016年诺贝尔物理学奖的诞生。现在,在《自然通讯》(Nature Communications)上发表的一篇论文中,来自日本理化学研究所(RIKEN Cluster)从事开拓性研究的科学家证明:

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在经典麦克斯韦电磁(Maxwell's电磁学)中获得的均匀各向同性介质界面处的著名表面电磁波,也有一个纯粹的拓扑起源,类似于量子拓扑状态。这种新方法阐明了表面电磁波的起源,并解释了为什么这些波出现在介质参数之一(介电常数或磁导率)改变其符号的界面上。表面模态的数量由界面处改变其符号的体积-介质参数的数量决定,拓扑形式主义称之为“体积-边界对应”。Konstantin Bliokh说:在表面麦克斯韦波的拓扑描述和之前已知的拓扑表面模式之间有一个关键区别。

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到目前为止,各种波系的拓扑性质和分类都依赖于哈密顿函数的数学性质。(能量)描述系统的算子,相反,麦克斯韦波的拓扑性质是由所谓的螺旋度算子来描述,螺旋度算子描述了圆极化电磁波的手性。因此理论也扩展了拓扑方法对其他波系的适用性。这表明拓扑分类不仅与哈密顿函数有关,而且与其它与守恒物理量对应的算子有关。研究工作为波物理学的几个领域提供了新视角:麦克斯韦电磁、拓扑量子态和等离子体/超材料。

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博科园-科学科普|研究/来自: 日本理化研究所

参考期刊文献:《Nature Communications》

DOI: 10.1038/s41467-019-08397-6

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