Nel lavoro che fornisce approfondimenti per diverse aree della fisica delle onde, compreso l'elettromagnetismo di Maxwell, stati quantistici topologici, e plasmonica/metamateriali, scienziati hanno dimostrato che le ben note onde elettromagnetiche superficiali alle interfacce tra mezzi isotropi omogenei, ottenuta nell'ambito dell'elettromagnetismo di Maxwell classico, hanno anche un'origine puramente topologica, simili agli stati topologici quantistici.

La teoria elettromagnetica di Maxwell, che è stato formulato 150 anni fa, è stata una delle più grandi scoperte della fisica. Univa elettricità e magnetismo, ha fornito una descrizione definitiva delle onde elettromagnetiche, compresa la luce, e la relatività anticipata e le teorie di campo del XX secolo. Più recentemente, più di 60 anni fa, gli scienziati hanno scoperto che la radiazione elettromagnetica non solo può propagarsi nello spazio libero, ma può anche formare onde di superficie alle interfacce tra i media, come tra metalli e aria o vetro. Ciò ha portato allo sviluppo della plasmonica e dei metamateriali, dove le onde elettromagnetiche di superficie sono alla base di numerosi fenomeni e applicazioni utili.

Un'altra area della fisica moderna in cui le onde di superficie giocano un ruolo cruciale sono i sistemi quantistici topologici, che sono molto robusti contro le piccole perturbazioni e le deformazioni continue. La scoperta di fasi topologiche non banali nei sistemi quantistici di materia condensata e l'esistenza di modalità di superficie topologiche alle interfacce tra materiali topologicamente diversi hanno portato al Premio Nobel per la fisica nel 2016.

Ora, in un articolo pubblicato su Comunicazioni sulla natura , scienziati del RIKEN Cluster for Pioneering Research in Giappone hanno dimostrato che le ben note onde elettromagnetiche di superficie alle interfacce tra mezzi isotropi omogenei, ottenuta nell'ambito dell'elettromagnetismo di Maxwell classico, hanno anche un'origine puramente topologica, simili agli stati topologici quantistici.

Questo nuovo approccio illumina l'origine delle onde elettromagnetiche di superficie e spiega perché queste onde compaiono in corrispondenza di interfacce dove uno dei parametri medi (permettività dielettrica o permeabilità magnetica) cambia segno. Inoltre, il numero di modalità di superficie è determinato dal numero dei parametri del mezzo sfuso che cambiano i loro segni all'interfaccia, che nel formalismo topologico viene chiamata "corrispondenza bulk-boundary".

Konstantin Bliokh dice, "C'è una differenza cruciale tra la descrizione topologica delle onde di Maxwell di superficie e quella dei modi di superficie topologici precedentemente noti. Finora, proprietà topologiche e la classificazione di vari sistemi d'onda si sono basati su proprietà matematiche dell'Hamiltoniano (cioè, energia) operatore che caratterizza il sistema. In contrasto, le proprietà topologiche delle onde di Maxwell sono descritte dal cosiddetto operatore di elicità, che caratterizza la chiralità, o manualità, delle onde elettromagnetiche circolarmente polarizzate. Così, la nostra teoria estende anche il campo di applicabilità dell'approccio topologico ad altri sistemi ondulatori. Mostra che la classificazione topologica può essere associata non solo all'Hamiltoniana ma anche ad altri operatori corrispondenti a grandezze fisiche conservate."

Franco Nori dice, "Il nostro lavoro fornisce una nuova svolta e intuizioni per diverse aree della fisica delle onde:elettromagnetismo di Maxwell, stati quantistici topologici, e plasmonica/metamateriali."