Isolatori topologici, materiali che isolano all'interno ma conducono elettricità lungo i bordi esterni, hanno creato un bel ronzio nella fisica della materia condensata. Ora un nuovo studio sulla rivista Scienza mostra che lo stesso comportamento topologico che governa questi materiali esotici guida anche le onde equatoriali, impulsi di acqua calda dell'oceano che svolgono un ruolo importante nella regolazione del clima terrestre, compresa l'oscillazione El Niño-Southern.

"Queste onde sono state scoperte dai geofisici negli anni '60, ma non avevano una profonda comprensione del perché esistessero, "ha detto Brad Marston, un professore di fisica alla Brown University e coautore del nuovo studio. "Ciò che abbiamo dimostrato è che hanno la stessa origine delle onde che sono importanti nella fisica dello stato solido:le onde degli elettroni che viaggiano attorno ai bordi degli isolanti topologici".

La ricerca è stata ispirata da un tipo speciale di isolante topologico che esibisce il cosiddetto effetto Hall quantistico, che è stato scoperto nel 1980. La topologia gioca un ruolo essenziale nell'effetto Hall quantistico è stato riconosciuto dal Premio Nobel 2016 per la fisica che è stato assegnato a un trio di fisici, compreso Michael Kosterlitz della Brown University.

Nell'effetto Hall quantistico, un campo magnetico fa sì che gli elettroni all'interno di un materiale semiconduttore viaggino in circoli chiamati orbite di ciclotrone. Quel movimento circolare impedisce a un flusso di elettroni, una corrente, di muoversi attraverso il materiale, tranne ai bordi esterni del materiale. Là, gli elettroni possono completare solo un semicerchio prima di esaurire i beni immobili e sbattere contro il bordo. Poiché tutti gli elettroni su un dato bordo eseguono il loro movimento nella stessa direzione, tutti quei semicerchi possono collegarsi e formare una corrente di bordo. Così, gli isolanti topologici conducono all'esterno e isolano all'interno.

Marston e i suoi collaboratori, Pierre Delplace e Antoine Venaille dell'Università di Lione in Francia, ha mostrato che dinamiche analoghe sono in gioco con le onde equatoriali della Terra. Nel caso della Terra, il ruolo del campo magnetico è giocato dall'effetto Coriolis, una forza apparente causata dalla rotazione del pianeta. È ciò che fa girare gli uragani in direzioni opposte negli emisferi nord e sud. Il ruolo del bordo è giocato dall'equatore, dove la forza di Coriolis si rompe.

"In ciascuno dei due emisferi, hai la forza di Coriolis che spinge in direzioni opposte, " Ha detto Marston. "Questo intrappola le onde all'equatore in un modo molto simile a come la corrente in un isolante topologico è intrappolata ai suoi bordi. Mentre la Terra non ha un "margine" di per sé, l'equatore è essenzialmente i bordi dei due emisferi attaccati insieme."

La matematica dietro i due fenomeni, Marston e i suoi colleghi hanno mostrato, è sostanzialmente identico.

"Se osservi in ​​recenti articoli di fisica dello stato solido i diagrammi che descrivono la dispersione degli elettroni in un isolante topologico, i grafici sembrano esattamente come il diagramma in un libro di testo di geofisica che descrive la dispersione delle onde equatoriali, " Ha detto Marston. "Quando gli isolanti topologici sono stati scoperti un decennio fa si trattava di una nuova fisica, ma con nostra sorpresa la Terra lo ha sempre fatto".

La ricerca aiuta a spiegare l'esistenza di diversi tipi di onde equatoriali. Uno di loro, nota come onda di Kelvin equatoriale, fornisce impulsi periodici di acqua calda alla costa del Sud America, che è l'oscillazione di El Niño. I risultati spiegano anche come queste onde persistano nonostante siano battute da tempeste e vento mutevole, e come passano dritti per isole che potrebbero causare la dispersione delle onde.

"Negli isolanti topologici, la corrente riesce a passare proprio attraverso le impurità del materiale come se non ci fossero, " Marston ha detto. "Questo è a causa della loro natura topologica, e ci aiuta a capire perché le onde equatoriali e l'oscillazione di El Niño persistono nonostante siano spinte dal tempo e da altri ostacoli".

Oltre ad aiutare a spiegare la persistenza dei cicli di El Niño, Marston afferma che probabilmente queste stesse dinamiche stanno accadendo altrove nel sistema climatico:nell'alta atmosfera, Per esempio. Riconoscere la natura topologica di questi fenomeni potrebbe aiutare ad approfondire la comprensione da parte degli scienziati di come funzionano, dice Marston.

"In pratica, questo ci darà nuovi modi per identificare questo tipo di dinamiche climatiche osservando la topologia, " ha detto. "Potremmo essere in grado di trovare e comprendere strutture topologiche che potrebbero essere state perse prima".