Området topologi eller studiet av hur ytor beter sig i olika dimensioner har djupt påverkat den nuvarande förståelsen av materia. Det främsta exemplet är den topologiska isolatorn, som leder elektricitet endast på ytan samtidigt som det är helt isolerande inuti bulken. Topologiska isolatorer beter sig som en metall, dvs. silver på ytan, men inuti, det skulle bete sig som glas. Dessa egenskaper definieras med hjälp av konduktiviteten eller flödet av elektroner som visar om det finns en motorväg eller en vägspärr för deras rörelse. En viktig drivkraft för framtida tillämpningar för topologiska isolatorer är inom området spin-elektroniska enheter eftersom dessa elektroner snurrar unisont, alla i linje med varandra medan de flyter på ytan.

Nu har forskare inom el- och datateknik för första gången föreslagit att samma elektroniska ledningsförmåga påverkar de topologiska egenskaperna hos ljus inuti atomär materia.

"Vi visade att det kan existera en ny topologisk fas av materia där ljus flödar bara på kanten av atommaterialet men inte inuti det. Det kan finnas några mycket speciella material med denna unika fotoniska egenskap, och det är vad vi kallar materiens kvantgyroelektriska fas, sa Zubin Jacob, en docent i el- och datateknik vid Purdue University.

En annan nyckeldefinierande egenskap hos denna fas av materia är en topologisk excitation känd som den "fotoniska skyrmion". I konventionella magneter, elektronsnurr kan ses som små pilar som antingen riktar in eller antiinriktar varandra. I skarp kontrast, skyrmioner är spinnexcitationer som visar ett unikt tumlande beteende hos spinnen (se bild). De är extremt stabila mot stimuli och kan utnyttjas för spintroniska switchar och minnen. Den kvantgyroelektriska fasen är värd för skyrmioner i energimomentumrymden av fotoniska vågor och kan användas som en rykande pistolsignatur för denna materiafas.

Ett sådant material kan syntetiseras genom "dopning, "eller ändra atomstrukturen, av befintliga material. Ett bra ställe att söka efter denna fas är i tvådimensionella material som grafen.

Jacob och doktoranden Todd Van Mechelen har skrivit en serie om fyra artiklar publicerade i forskningstidskrifter som lägger fram teorin om denna fas av materia.

Forskningen finansierades av Defense Advanced Research Projects Agencys Nascent Light-Matter Interactions Program och National Science Foundation.

Framtida forskning kommer att utforska dopning av 2D-material för att uppnå den kvantgyroelektriska fasen och undersöka hur ljusvågor färdas på kanten av ett material.