In werk dat inzichten verschaft voor verschillende gebieden van de golffysica, inclusief Maxwell-elektromagnetisme, topologische kwantumtoestanden, en plasmonica/metamaterialen, wetenschappers hebben aangetoond dat de bekende elektromagnetische oppervlaktegolven op grensvlakken tussen homogene isotrope media, verkregen binnen het klassieke elektromagnetisme van Maxwell, ook een puur topologische oorsprong hebben, vergelijkbaar met kwantumtopologische toestanden.

Maxwell's elektromagnetische theorie, die 150 jaar geleden werd geformuleerd, was een van de grootste doorbraken in de natuurkunde. Het verenigde elektriciteit en magnetisme, gaf een ultieme beschrijving van elektromagnetische golven, inclusief licht, en geanticipeerde relativiteit en de veldtheorieën van de 20e eeuw. Recenter, meer dan 60 jaar geleden, wetenschappers ontdekten dat elektromagnetische straling zich niet alleen in de vrije ruimte kan voortplanten, maar ook oppervlaktegolven kan vormen op grensvlakken tussen media, zoals tussen metalen en lucht of glas. Dit resulteerde in de ontwikkeling van plasmonics en metamaterialen, waar elektromagnetische oppervlaktegolven een aantal fenomenen en nuttige toepassingen ondersteunen.

Een ander gebied van de moderne natuurkunde waar oppervlaktegolven een cruciale rol spelen, zijn topologische kwantumsystemen, die zeer robuust zijn tegen kleine verstoringen en continue vervormingen. De ontdekking van niet-triviale topologische fasen in kwantumsystemen van gecondenseerde materie en het bestaan ​​van topologische oppervlaktemodi op grensvlakken tussen topologisch verschillende materialen resulteerde in de Nobelprijs voor de natuurkunde in 2016.

Nutsvoorzieningen, in een paper gepubliceerd in Natuurcommunicatie , wetenschappers van de RIKEN Cluster for Pioneering Research in Japan hebben aangetoond dat de bekende elektromagnetische oppervlaktegolven op grensvlakken tussen homogene isotrope media, verkregen binnen het klassieke elektromagnetisme van Maxwell, ook een puur topologische oorsprong hebben, vergelijkbaar met kwantumtopologische toestanden.

Deze nieuwe benadering belicht de oorsprong van elektromagnetische oppervlaktegolven en verklaart waarom deze golven verschijnen op grensvlakken waar een van de mediumparameters (diëlektrische permittiviteit of magnetische permeabiliteit) van teken verandert. Bovendien, het aantal oppervlaktemodi wordt bepaald door het aantal bulk-mediumparameters dat hun tekens op de interface verandert, die in het topologische formalisme "bulk-boundary correspondentie" wordt genoemd.

Konstantin Bliokh zegt:"Er is een cruciaal verschil tussen de topologische beschrijving van Maxwell-golven aan het oppervlak en die van eerder bekende topologische oppervlaktemodi. Tot nu toe, topologische eigenschappen en classificatie van verschillende golfsystemen zijn gebaseerd op wiskundige eigenschappen van de Hamiltoniaan (d.w.z. energie) operator die het systeem kenmerkt. In tegenstelling tot, de topologische eigenschappen van de golven van Maxwell worden beschreven door de zogenaamde helicity-operator, die de chiraliteit - of handigheid - van circulair gepolariseerde elektromagnetische golven kenmerkt. Dus, onze theorie breidt ook het toepassingsgebied van de topologische benadering uit naar andere golfsystemen. Het laat zien dat de topologische classificatie niet alleen kan worden geassocieerd met de Hamiltoniaan, maar ook met andere operatoren die overeenkomen met geconserveerde fysieke grootheden."

Franco Nori zegt, "Ons werk biedt een nieuwe wending en inzichten voor verschillende gebieden van de golffysica:Maxwell-elektromagnetisme, topologische kwantumtoestanden, en plasmonica/metamaterialen."