終于揭示了表面電磁波的拓?fù)淦鹪矗?/h1>

2019-05-13 13:20 作者:博科園 0人讀過 | 我要投稿

在為波物理學(xué)幾個(gè)領(lǐng)域(包括麥克斯韋電磁學(xué)、拓?fù)淞孔討B(tài)和等離子體/超材料)提供見解的研究工作中，科學(xué)家們已經(jīng)表明，在經(jīng)典麥克斯韋電磁學(xué)中獲得的均勻各向同性介質(zhì)之間的界面上著名表面電磁波也有一個(gè)純粹的拓?fù)淦鹪矗愃朴诹孔油負(fù)鋺B(tài)。

麥克斯韋的電磁理論形成于150年前，是物理學(xué)上的一大突破。它把電和磁結(jié)合起來，提供了包括光在內(nèi)的電磁波最終描述，并預(yù)見了20世紀(jì)的相對論和場論。60多年前，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)電磁輻射不僅能在自由空間傳播，而且還能在金屬與空氣或玻璃等介質(zhì)之間的界面上形成表面波。

博科園-科學(xué)科普：這促使了等離子體和超材料的發(fā)展，其中表面電磁波支撐了許多現(xiàn)象和有用的應(yīng)用。表面波在現(xiàn)代物理學(xué)的另一個(gè)重要領(lǐng)域是拓?fù)淞孔酉到y(tǒng)，它對微小的擾動(dòng)和連續(xù)的變形具有很強(qiáng)的魯棒性。凝聚態(tài)量子系統(tǒng)中非平凡拓?fù)湎嗟陌l(fā)現(xiàn)，以及拓?fù)洳煌牧现g界面拓?fù)浔砻婺５拇嬖?，促使?016年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的誕生。現(xiàn)在，在《自然通訊》(Nature Communications)上發(fā)表的一篇論文中，來自日本理化學(xué)研究所(RIKEN Cluster)從事開拓性研究的科學(xué)家證明：

在經(jīng)典麥克斯韋電磁(Maxwell's電磁學(xué))中獲得的均勻各向同性介質(zhì)界面處的著名表面電磁波，也有一個(gè)純粹的拓?fù)淦鹪矗愃朴诹孔油負(fù)錉顟B(tài)。這種新方法闡明了表面電磁波的起源，并解釋了為什么這些波出現(xiàn)在介質(zhì)參數(shù)之一(介電常數(shù)或磁導(dǎo)率)改變其符號的界面上。表面模態(tài)的數(shù)量由界面處改變其符號的體積-介質(zhì)參數(shù)的數(shù)量決定，拓?fù)湫问街髁x稱之為“體積-邊界對應(yīng)”。Konstantin Bliokh說：在表面麥克斯韋波的拓?fù)涿枋龊椭耙阎耐負(fù)浔砻婺Ｊ街g有一個(gè)關(guān)鍵區(qū)別。

到目前為止，各種波系的拓?fù)湫再|(zhì)和分類都依賴于哈密頓函數(shù)的數(shù)學(xué)性質(zhì)。(能量)描述系統(tǒng)的算子，相反，麥克斯韋波的拓?fù)湫再|(zhì)是由所謂的螺旋度算子來描述，螺旋度算子描述了圓極化電磁波的手性。因此理論也擴(kuò)展了拓?fù)浞椒▽ζ渌ㄏ档倪m用性。這表明拓?fù)浞诸惒粌H與哈密頓函數(shù)有關(guān)，而且與其它與守恒物理量對應(yīng)的算子有關(guān)。研究工作為波物理學(xué)的幾個(gè)領(lǐng)域提供了新視角：麥克斯韋電磁、拓?fù)淞孔討B(tài)和等離子體/超材料。