I arbete som ger insikter för flera områden av vågfysik, inklusive Maxwell elektromagnetism, topologiska kvanttillstånd, och plasmonik/metamaterial, forskare har visat att de välkända elektromagnetiska ytvågorna vid gränssnitten mellan homogena isotropa medier, erhållen inom klassisk Maxwells elektromagnetism, har också ett rent topologiskt ursprung, liknande kvanttopologiska tillstånd.

Maxwells elektromagnetiska teori, som formulerades för 150 år sedan, var ett av de största genombrotten inom fysiken. Det förenade elektricitet och magnetism, gav en ultimat beskrivning av elektromagnetiska vågor, inklusive ljus, och förutsedda relativitetsteorierna och 1900-talets fältteorier. På senare tid, för mer än 60 år sedan, forskare fann att elektromagnetisk strålning inte bara kan spridas i fritt utrymme utan också kan bilda ytvågor vid gränssnitt mellan media, som mellan metaller och luft eller glas. Detta resulterade i utvecklingen av plasmonik och metamaterial, där elektromagnetiska ytvågor underbygger ett antal fenomen och användbara tillämpningar.

Ett annat område inom modern fysik där ytvågor spelar en avgörande roll är topologiska kvantsystem, som är mycket robusta mot små störningar och kontinuerliga deformationer. Upptäckten av icke-triviala topologiska faser i kvantsystem av kondenserad materia och förekomsten av topologiska ytmoder vid gränssnitt mellan topologiskt olika material resulterade i Nobelpriset i fysik 2016.

Nu, i en tidning publicerad i Naturkommunikation , forskare från RIKEN-klustret för banbrytande forskning i Japan har visat att de välkända elektromagnetiska ytvågorna vid gränssnitt mellan homogena isotropa medier, erhållen inom klassisk Maxwells elektromagnetism, har också ett rent topologiskt ursprung, liknande kvanttopologiska tillstånd.

Detta nya tillvägagångssätt belyser ursprunget för elektromagnetiska ytvågor och förklarar varför dessa vågor uppträder vid gränssnitt där en av mediumparametrarna (dielektrisk permittivitet eller magnetisk permeabilitet) ändrar sitt tecken. Dessutom, antalet ytlägen bestäms av antalet bulkmediumparametrar som ändrar sina tecken vid gränssnittet, som kallas "bulk-boundary correspondence" i den topologiska formalismen.

Konstantin Bliokh säger, "Det finns en avgörande skillnad mellan den topologiska beskrivningen av yt Maxwell-vågor och den av tidigare kända topologiska ytmoder. Hittills, topologiska egenskaper och klassificering av olika vågsystem har förlitat sig på matematiska egenskaper hos Hamiltonian (dvs. energi) operatör som karakteriserar systemet. I kontrast, de topologiska egenskaperna hos Maxwells vågor beskrivs av den så kallade helicitetsoperatorn, som kännetecknar kiraliteten - eller handigheten - hos cirkulärt polariserade elektromagnetiska vågor. Således, vår teori utökar också tillämpningsområdet för den topologiska metoden för andra vågsystem. Det visar att den topologiska klassificeringen inte bara kan associeras med Hamiltonian utan också med andra operatorer som motsvarar bevarade fysiska kvantiteter."

Franco Nori säger, "Vårt arbete ger en ny vändning och insikter för flera områden av vågfysik:Maxwell elektromagnetism, topologiska kvanttillstånd, och plasmonik/metamaterial."