Topologie is een opkomend veld binnen veel wetenschappelijke disciplines, zelfs leidend tot een Nobelprijs voor de Natuurkunde in 2016. De Leidse natuurkundige Marcello Caio en zijn collega's hebben nu het bestaan ​​ontdekt van topologische stromen analoog aan elektrische stromen. Hun onderzoek is gepubliceerd in Natuurfysica .

Mensen schrijven eigenschappen toe aan objecten zoals kleur, temperatuur en fase-gasvormig, vloeibaar of vast. Bijvoorbeeld, een specifiek punt op het oppervlak van een donut is bruin, vast en op kamertemperatuur. Topologische eigenschappen zijn verschillend. Ze bevatten informatie over het hele object. Bijvoorbeeld, een donut heeft één gat. Het is onmogelijk om het aantal gaten te tellen door te focussen op een specifiek deel van de donut. Je moet het als een geheel beschouwen. Topologie is op veel wetenschappelijke gebieden van belang gebleken. in 2016, bijvoorbeeld, werk aan topologie werd erkend met de Nobelprijs voor de natuurkunde.

De zogenaamde Chern-index is een andere, hoewel erg abstract, topologische grootheid. Dit is een speciaal geval in de topologie. Onlangs, er werd ontdekt dat de Chern-index een dichtheid heeft - de Chern-markering genoemd. Dit geeft informatie over de topologie van een heel systeem, zelfs door alleen naar het lokale niveau te kijken. De ononderbroken lijn in figuur 1 toont de ruimtelijke verdeling van de Chern-markering, waarbij elk lokaal punt zijn eigen waarde heeft. (Merk op dat deze grafiek geen zin heeft voor een globale eigenschap zoals het aantal gaten in een object.) De lokale punten moeten zich echter aan één regel houden op globaal niveau:het gemiddelde van alle lokale waarden moet altijd nul zijn.

Leids natuurkundige Marcello Caio, samen met een team van wetenschappers uit het Verenigd Koninkrijk, heeft nu ontdekt dat als je een systeem verstoort, de lokale Chern-waarden zullen zich verspreiden door van de grenzen naar het binnenste van het systeem te stromen. In tegenstelling tot, globale topologische eigenschappen zijn robuust tegen verstoringen - het aantal gaten in een donut verandert pas na een grote hap. In figuur 1 een verstoring zorgt ervoor dat de grafiek opnieuw vorm krijgt om te blijven voldoen aan de eis dat de integraal nul moet zijn. Caio en zijn collega's ontdekten dat dit niet meteen gebeurt, dus er moet een stroom van de Chern-markering door het systeem zijn. Dit vormt topologische stroom, analoog aan een conventionele elektrische stroom.

Caio zegt, "In de verre toekomst dit zou de ontwikkeling mogelijk kunnen maken van nieuwe apparaten op basis van topologische stromen naast elektrische stromen. Er zijn veel locaties voor onderzoek in deze richting. Zijn er andere manieren om deze stroom te creëren? Kunnen we ze sturen? Er zijn veel spannende mogelijkheden."