science >> Wetenschap >  >> Natuur

Wat het klimaatsysteem van de aarde en topologische isolatoren gemeen hebben?

Nieuw onderzoek toont aan dat equatoriale golven - pulsen van warm oceaanwater die een rol spelen bij het reguleren van het klimaat op aarde - worden aangedreven door dezelfde dynamiek als de exotische materialen die bekend staan ​​als topologische isolatoren. Equatoriale Kelvin-golven, die verantwoordelijk zijn voor de El Nino-Zuidelijke Oscillatie, reizen van west naar oost. Een ander type equatoriale golf - Rossby-golven - beweegt in de tegenovergestelde richting. Krediet:Deplace/Marston/Venaille

Topologische isolatoren, materialen die aan de binnenkant isoleren, maar langs hun buitenranden elektriciteit geleiden, hebben nogal wat stof doen opwaaien in de fysica van de gecondenseerde materie. Nu een nieuwe studie in het tijdschrift Wetenschap laat zien dat hetzelfde topologische gedrag dat deze exotische materialen beheerst, ook equatoriale golven aandrijft - pulsen van warm oceaanwater die een belangrijke rol spelen bij het reguleren van het klimaat op aarde, inclusief de El Niño-Zuidelijke Oscillatie.

"Deze golven werden in de jaren zestig ontdekt door geofysici, maar ze misten een diep begrip van waarom ze bestonden, " zei Brad Marston, een natuurkundeprofessor aan de Brown University en co-auteur van de nieuwe studie. "Wat we hebben laten zien, is dat ze dezelfde oorsprong hebben als de golven die belangrijk zijn in de vastestoffysica - de golven van elektronen die langs de randen van topologische isolatoren reizen."

Het onderzoek werd geïnspireerd door een speciaal type topologische isolator die het zogenaamde quantum Hall-effect vertoont. die werd ontdekt in 1980. De topologie speelt een essentiële rol in het kwantum Hall-effect werd erkend door de 2016 Nobelprijs voor de natuurkunde die werd toegekend aan een drietal natuurkundigen, waaronder Michael Kosterlitz van Brown University.

In het kwantum Hall-effect, een magnetisch veld zorgt ervoor dat elektronen in een halfgeleidend materiaal in cirkels reizen die cyclotronbanen worden genoemd. Die cirkelvormige beweging verhindert dat een stroom van elektronen - een stroom - door het materiaal beweegt, behalve aan de buitenranden van het materiaal. Daar, elektronen kunnen slechts een halve cirkel voltooien voordat ze geen onroerend goed meer hebben en tegen de rand bonzen. Omdat alle elektronen op een bepaalde rand hun beweging in dezelfde richting uitvoeren, al die halve cirkels kunnen samenkomen en een randstroom vormen. Dus, topologische isolatoren geleiden aan de buitenkant en isoleren aan de binnenkant.

Marston en zijn medewerkers, Pierre Delplace en Antoine Venaille van de Universiteit van Lyon in Frankrijk, toonde aan dat analoge dynamiek in het spel is met de equatoriale golven van de aarde. In het geval van de aarde, de rol van het magnetische veld wordt gespeeld door het Coriolis-effect - een schijnbare kracht die wordt veroorzaakt door de rotatie van de planeet. Het zorgt ervoor dat orkanen in tegengestelde richtingen draaien op het noordelijk en zuidelijk halfrond. De rol van de rand wordt gespeeld door de evenaar, waar de Coriolis-kracht uitvalt.

"In elk van de twee hemisferen, je hebt de Coriolis-kracht die in tegengestelde richtingen duwt, "Zei Marston. "Dat houdt de golven op de evenaar vast op een manier die erg lijkt op hoe de stroom in een topologische isolator aan de randen wordt vastgehouden. Hoewel de aarde niet per se een 'rand' heeft, de evenaar is in wezen de randen van de twee hemisferen die aan elkaar zijn geplakt."

De wiskunde achter de twee fenomenen, Marston en zijn collega's toonden aan, is in wezen identiek.

"Als je in recente fysica-papers over vaste stoffen kijkt naar diagrammen die de verspreiding van elektronen in een topologische isolator beschrijven, de plots lijken precies op het diagram in een leerboek geofysica dat de verspreiding van equatoriale golven weergeeft, "Zei Marston. "Toen topologische isolatoren tien jaar geleden werden ontdekt, was het nieuwe natuurkunde, maar tot onze verbazing heeft de aarde het al die tijd gedaan."

Het onderzoek helpt het bestaan ​​van verschillende soorten equatoriale golven te verklaren. Een van hen, bekend als de equatoriale Kelvin-golf, levert periodieke pulsen van warm water aan de kust van Zuid-Amerika, dat is de El Niño-oscillatie. De bevindingen verklaren ook hoe deze golven aanhouden ondanks dat ze worden gehavend door stormen en veranderende wind, en hoe ze recht langs eilanden gaan waarvan men zou kunnen verwachten dat ze de golven zouden doen verstrooien.

"In topologische isolatoren, de stroom kan dwars door onzuiverheden in het materiaal bewegen alsof ze er niet zijn, "Zei Marston. "Dat komt door hun topologische aard, en het helpt ons te begrijpen waarom equatoriale golven en de El Niño-oscillatie aanhouden ondanks dat ze worden verdrongen door het weer en andere obstakels."

Naast het helpen verklaren van de persistentie van El Niño-cycli, Marston zegt dat dezelfde dynamiek waarschijnlijk ook elders in het klimaatsysteem plaatsvindt - in de bovenste atmosfeer, bijvoorbeeld. Het herkennen van de topologische aard van deze verschijnselen zou kunnen helpen bij het verdiepen van het begrip van wetenschappers over hoe ze werken, zegt Marston.

"Praktisch gezien dit geeft ons nieuwe manieren om dit soort klimaatdynamiek te identificeren door te kijken naar de topologie, " zei hij. "We kunnen misschien topologische structuren vinden en begrijpen die eerder over het hoofd zijn gezien."