Los aislantes topológicos, materiales que aíslan en el interior pero conducen la electricidad a lo largo de sus bordes exteriores, han creado un gran revuelo en la física de la materia condensada. Ahora, un nuevo estudio en la revista ciencia muestra que el mismo comportamiento topológico que gobierna estos materiales exóticos también impulsa las ondas ecuatoriales: pulsos de agua cálida del océano que juegan un papel importante en la regulación del clima de la Tierra, incluida la El Niño-Oscilación del Sur.
"Estas ondas fueron descubiertas por geofísicos en la década de 1960, pero carecían de una comprensión profunda de por qué existían", dijo Brad Marston, profesor de física en la Universidad Brown y coautor del nuevo estudio. "Lo que hemos demostrado es quetienen el mismo origen que las ondas que son importantes en la física del estado sólido: las ondas de electrones que viajan alrededor de los bordes de los aisladores topológicos ".
La investigación se inspiró en un tipo especial de aislante topológico que exhibe lo que se conoce como el efecto Hall cuántico, que se descubrió en 1980. La topología desempeña un papel esencial en el efecto Hall cuántico fue reconocido por el Premio Nobel de Física 2016 quefue otorgado a un trío de físicos, incluido Michael Kosterlitz de la Universidad de Brown.
En el efecto Hall cuántico, un campo magnético hace que los electrones dentro de un material semiconductor viajen en círculos llamados órbitas de ciclotrón. Ese movimiento circular evita que un flujo de electrones, una corriente, se mueva a través del material, excepto en el exterior del material.bordes. Allí, los electrones solo pueden completar un semicírculo antes de quedarse sin bienes raíces y golpear contra el borde. Debido a que todos los electrones en un borde dado ejecutan su movimiento en la misma dirección, todos esos semicírculos pueden unirse yforman una corriente de borde. Por lo tanto, los aislantes topológicos conducen por fuera y aíslan por dentro.
Marston y sus colaboradores, Pierre Delplace y Antoine Venaille de la Universidad de Lyon en Francia, mostraron que dinámicas análogas están en juego con las ondas ecuatoriales de la Tierra. En el caso de la Tierra, el papel del campo magnético es desempeñado por el Coriolisefecto: una fuerza aparente causada por la rotación del planeta. Es lo que hace que los huracanes giren en direcciones opuestas en los hemisferios norte y sur. El ecuador desempeña el papel del borde, donde se rompe la fuerza de Coriolis.
"En cada uno de los dos hemisferios, tienes la fuerza de Coriolis empujando en direcciones opuestas", dijo Marston. "Eso atrapa las ondas en el ecuador de una manera muy similar a cómo la corriente en un aislante topológico está atrapada en subordes. Si bien la Tierra no tiene un 'borde' per se, el ecuador es esencialmente los bordes de los dos hemisferios unidos ".
Marston y sus colegas mostraron que las matemáticas detrás de los dos fenómenos son esencialmente idénticas.
"Si observa en los últimos documentos de física de estado sólido los diagramas que describen la dispersión de electrones en un aislante topológico, las gráficas se ven exactamente como el diagrama en un libro de texto de geofísica que representa la dispersión de las ondas ecuatoriales", dijo Marston. "CuandoLos aislantes topológicos fueron descubiertos hace una década, era una física nueva, pero para nuestra sorpresa, la Tierra lo ha estado haciendo todo el tiempo ".
La investigación ayuda a explicar la existencia de varios tipos de ondas ecuatoriales. Una de ellas, conocida como la onda Kelvin ecuatorial, entrega pulsos periódicos de agua tibia a la costa de América del Sur, que es la oscilación de El Niño. Los hallazgos tambiénexplique cómo estas olas persisten a pesar de ser golpeadas por tormentas y vientos cambiantes, y cómo pasan directamente por las islas que podrían causar que las olas se dispersen.
"En los aislantes topológicos, la corriente puede moverse a través de las impurezas del material como si no estuvieran allí", dijo Marston. "Eso es debido a su naturaleza topológica, y nos ayuda a entender por qué las ondas ecuatoriales y el ELLa oscilación de Niño persiste a pesar de ser empujada por el clima y otros obstáculos ".
Además de ayudar a explicar la persistencia de los ciclos de El Niño, Marston dice que estas mismas dinámicas probablemente suceden en otras partes del sistema climático, en la atmósfera superior, por ejemplo. Reconocer la naturaleza topológica de estos fenómenos podría ayudar a profundizar la comprensión de los científicosde cómo funcionan, dice Marston.
"Como cuestión práctica, esto nos dará nuevas formas de identificar este tipo de dinámica climática al observar la topología", dijo. "Podríamos ser capaces de encontrar y comprender las estructuras topológicas que pueden haberse perdido antes".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Brown . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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