Topologiska isolatorer, material som isolerar på insidan men leder elektricitet längs ytterkanterna, har skapat ganska mycket i fysiken för kondenserad materia. Nu en ny studie i tidningen Vetenskap visar att samma topologiska beteende som styr dessa exotiska material också driver ekvatorialvågor - pulser av varmt havsvatten som spelar en viktig roll för att reglera jordens klimat, inklusive El Niño-södra oscillationen.

"Dessa vågor upptäcktes av geofysiker på 1960 -talet, men de saknade en djup förståelse för varför de fanns, "sa Brad Marston, en fysikprofessor vid Brown University och medförfattare till den nya studien. "Det vi har visat är att de har samma ursprung som de vågor som är viktiga i fasta fysik - elektronernas vågor som rör sig runt kanterna på topologiska isolatorer."

Forskningen är inspirerad av en speciell typ av topologisk isolator som uppvisar det som kallas quantum Hall -effekten, som upptäcktes 1980. Topologin spelar en väsentlig roll för quantum Hall -effekten erkändes av Nobelpriset i fysik 2016 som tilldelades trion av fysiker, inklusive Brown Universitys Michael Kosterlitz.

I quantum Hall -effekten, ett magnetfält orsakar att elektroner inuti ett halvledande material rör sig i cirklar som kallas cyklotronbanor. Den cirkulära rörelsen hindrar ett flöde av elektroner - en ström - från att röra sig över materialet, utom vid materialets ytterkanter. Där, elektroner kan bara slutföra en halvcirkel innan de tar slut på fastigheter och slår mot kanten. Eftersom alla elektroner på en given kant utför sin rörelse i samma riktning, alla dessa halvcirklar kan länka upp och bilda en kantström. Således, topologiska isolatorer fungerar på utsidan och isolerar på insidan.

Marston och hans medarbetare, Pierre Delplace och Antoine Venaille från universitetet i Lyon i Frankrike, visade att analog dynamik spelar med jordens ekvatorialvågor. I fallet med jorden, magnetfältets roll spelas av Coriolis -effekten - en skenbar kraft som orsakas av planetens rotation. Det är det som får orkaner att snurra i motsatta riktningar på norra och södra halvklotet. Kantens roll spelas av ekvatorn, där Corioliskraften bryts ner.

"På var och en av de två halvklotet, du har Corioliskraften som skjuter i motsatta riktningar, "Sa Marston." Det fångar vågorna vid ekvatorn på ett sätt som liknar mycket hur strömmen i en topologisk isolator är fångad vid dess kanter. Medan jorden inte har en "kant" i sig, ekvatorn är i huvudsak kanterna på de två halvklotet som sitter ihop. "

Matematiken bakom de två fenomenen, Marston och hans kollegor visade, är i huvudsak identisk.

"Om du i de senaste fasta fysikpappren tittar på diagram som beskriver spridningen av elektroner i en topologisk isolator, tomterna ser exakt ut som diagrammet i en geofysisk lärobok som visar spridningen av ekvatorialvågor, "Marston sa." När topologiska isolatorer upptäcktes för ett decennium sedan var det ny fysik, men till vår förvåning har jorden gjort det hela tiden. "

Forskningen hjälper till att förklara förekomsten av flera typer av ekvatoriella vågor. En av dem, känd som den ekvatoriella Kelvin -vågen, levererar periodiska pulser av varmt vatten till Sydamerikas kust, som är El Niñosvängningen. Fynden förklarar också hur dessa vågor kvarstår trots att de drabbas av stormar och skiftande vind, och hur de passerar rakt förbi öar som kan förväntas få vågorna att spridas.

"I topologiska isolatorer, strömmen kan röra sig genom föroreningar i materialet som om de inte fanns där, "Sa Marston." Det beror på deras topologiska natur, och det hjälper oss att förstå varför ekvatorialvågor och El Niño -oscillationen kvarstår trots att de trasslar runt av väder och andra hinder. "

Förutom att hjälpa till att förklara uthålligheten av El Niño -cykler, Marston säger att samma dynamik sannolikt händer någon annanstans i klimatsystemet - i den övre atmosfären, till exempel. Att erkänna dessa fenomens topologiska natur kan hjälpa till att fördjupa forskarnas förståelse för hur de fungerar, Säger Marston.

"Som en praktisk sak, detta kommer att ge oss nya sätt att identifiera denna typ av klimatdynamik genom att titta på topologin, "sa han." Vi kanske kan hitta och förstå topologiska strukturer som kanske har missats tidigare. "