地球的气候系统和拓扑绝缘子有什么共同点?


赤道开尔文波已经被地球物理学家所了解多年,但新的研究借鉴了量子力学的一个页面,以帮助阐明它们的发展。

拓扑绝缘子,内在绝缘材料,沿其外缘进行电力的材料,在凝聚态物理学中引起了轰动。一项新研究表明,管理这些外来材料的同样的拓扑行为也带动了赤道波浪 - 温暖的海水脉冲,在调节地球气候方面发挥了重要作用,包括厄尔尼诺 - 南方涛动。

布朗大学物理学教授布拉德·马斯顿(Brad Marston)说,“这些波浪是1960年代地球物理学家发现的,但是他们对于为什么不存在这些波浪而深刻理解。” “我们所看到的是,它们与固体物理学中重要的波浪相同 - 源自拓扑绝缘体边缘周围的电子波。”

该研究的灵感来自于一种特殊类型的拓扑绝缘子,其展现了所谓的量子霍尔效应,这是1980年发现的。拓扑在量子霍尔效应中起着至关重要的作用。

在量子霍尔效应中,磁场使半导体材料内的电子以称为回旋加速器轨道的圆圈行进。这种圆形运动防止电子流(电流)流过材料,除了材料的外边缘外。因为给定边缘上的所有电子在相同的方向上执行它们的移动,所以这些半圆可以链接并形成边缘电流。因此,拓扑绝缘子在外部进行并在内部绝缘。

法国里昂大学的Marston及其合作者Pierre Delplace和Antoine Venaille表示,类似的动力学正在与地球的赤道波进行比较。在地球的情况下,磁场的作用是由科里奥利效应所引起的 - 这是由地球旋转引起的明显的力量。这是导致北半球和南半球飓风向相反方向旋转的原因。边缘的作用是由科里奥利力量分裂的赤道所发挥。

“在两个半球的每一个中,科里奥利的力量都向相反的方向推进,”马斯顿说。 “在赤道上捕获波浪的方式非常类似于拓扑绝缘子中的电流如何被捕获在边缘,而地球本身并没有”边缘“,所以赤道本质上是两个半球粘在一起。“

马斯顿和他的同事们发现,两种现象背后的数学基本相同。

Marston表示:“如果您在图中描述最近的固态物理论文,描述电子在拓扑绝缘子中的分散,那么这些图看起来就像地球物理教科书中描绘赤道波分散的图。 “十年前发现拓扑绝缘子是新的物理学,但令我们惊讶的是,地球一直在这样做。”

该研究有助于解释几种类型的赤道波的存在。其中之一,被称为赤道开尔文波浪,向南美洲海岸定期提供温水脉冲,这是厄尔尼诺现象。这些调查结果也解释了这些波涛如何持续,尽管受到风暴和风的转折,以及它们如何直接通过可能会导致波浪散射的岛屿。

Marston表示:“在拓扑绝缘体中,目前的能够通过材料中的杂质移动,就像它们不在一样。” “这是因为它们的拓扑性质,它有助于我们了解为什么赤道波浪和厄尔尼诺现象的振荡仍然持续,尽管天气和其他障碍被挤压。”

马尔斯顿除了帮助解释厄尔尼诺现象持续存在的周期之外,也表示这种相同的动力学可能在气候系统的其他地方发生,例如在高层大气层。马斯顿说,认识到这些现象的拓扑性质可能有助于深化科学家对于这些现象的理解。

“作为一个实际的问题,这将为我们提供新的方法,通过观察来确定这些气候变化拓扑结构,“他说,”我们可能可以找到并理解以前可能错过的拓扑结构。

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