Что общего у климатической системы Земли и топологических изоляторов

Новое исследование в журнале Science показало, что топологическое поведение, характерное для экзотических материалов — топологических изоляторов, также управляет экваториальными волнами в океане. Эти волны, представляющие собой импульсы теплой воды, играют ключевую роль в регулировании климата Земли, включая явление Эль-Ниньо — Южное колебание (ENSO).

Исследователи из Брауновского университета и Университета Лиона обнаружили, что математика, описывающая эти климатические волны, идентична математике квантового эффекта Холла в топологических изоляторах. В физике материалов магнитное поле заставляет электроны двигаться по круговым орбитам, создавая ток только по краям материала. В климатической системе роль магнитного поля играет сила Кориолиса, вызванная вращением Земли, а роль «края» — экватор, где эта сила меняет знак. Это «запирает» волны у экватора, аналогично тому, как ток в изоляторе концентрируется на его гранях.

«Мы показали, что эти волны имеют то же происхождение, что и волны, важные в физике твёрдого тела — волны электронов, движущихся по краям топологических изоляторов», — пояснил соавтор работы, профессор физики Брэд Марстон. Это объясняет, почему такие явления, как экваториальная волна Кельвина (которая вызывает Эль-Ниньо), сохраняются, несмотря на штормы, ветры и препятствия вроде островов, подобно тому как ток в топологическом изоляторе обходит дефекты материала. Понимание топологической природы этих климатических динамик открывает новые пути для их изучения в атмосфере и океане.