Isolateurs topologiques, matériaux qui isolent à l'intérieur mais conduisent l'électricité le long de leurs bords extérieurs, ont créé tout un buzz dans la physique de la matière condensée. Maintenant une nouvelle étude dans le journal Science montre que le même comportement topologique qui régit ces matériaux exotiques entraîne également des ondes équatoriales - des impulsions d'eau chaude océanique qui jouent un rôle majeur dans la régulation du climat de la Terre, y compris El Niño-oscillation australe.

"Ces ondes ont été découvertes par les géophysiciens dans les années 1960, mais ils n'avaient pas une compréhension profonde de pourquoi ils existaient, " a déclaré Brad Marston, professeur de physique à l'Université Brown et co-auteur de la nouvelle étude. "Ce que nous avons montré, c'est qu'elles ont la même origine que les ondes qui sont importantes en physique de l'état solide - les ondes d'électrons qui se déplacent autour des bords des isolants topologiques."

La recherche a été inspirée par un type spécial d'isolant topologique qui présente ce que l'on appelle l'effet Hall quantique, qui a été découvert en 1980. La topologie joue un rôle essentiel dans l'effet Hall quantique a été reconnu par le prix Nobel de physique 2016 qui a été décerné à un trio de physiciens, y compris Michael Kosterlitz de l'Université Brown.

Dans l'effet Hall quantique, un champ magnétique fait que les électrons à l'intérieur d'un matériau semi-conducteur se déplacent en cercles appelés orbites de cyclotron. Ce mouvement circulaire empêche un flux d'électrons - un courant - de se déplacer à travers le matériau, sauf sur les bords extérieurs du matériau. Là, les électrons ne peuvent parcourir qu'un demi-cercle avant de manquer d'espace et de heurter le bord. Parce que tous les électrons sur un bord donné exécutent leur mouvement dans la même direction, tous ces demi-cercles peuvent s'enchaîner et former un courant de bord. Ainsi, les isolants topologiques conduisent à l'extérieur et isolent à l'intérieur.

Marston et ses collaborateurs, Pierre Delplace et Antoine Venaille de l'Université de Lyon en France, ont montré que des dynamiques analogues sont en jeu avec les ondes équatoriales de la Terre. Dans le cas de la Terre, le rôle du champ magnétique est joué par l'effet Coriolis, une force apparente causée par la rotation de la planète. C'est ce qui fait tourner les ouragans dans des directions opposées dans les hémisphères nord et sud. Le rôle du bord est joué par l'équateur, où la force de Coriolis s'effondre.

« Dans chacun des deux hémisphères, vous avez la force de Coriolis poussant dans des directions opposées, " a déclaré Marston. "Cela piège les vagues à l'équateur d'une manière très similaire à la façon dont le courant dans un isolant topologique est piégé sur ses bords. Bien que la Terre n'ait pas d'« avantage » en soi, l'équateur est essentiellement les bords des deux hémisphères collés ensemble."

Les mathématiques derrière les deux phénomènes, Marston et ses collègues ont montré, est essentiellement identique.

« Si vous regardez dans des articles récents sur la physique du solide, des diagrammes décrivant la dispersion des électrons dans un isolant topologique, les tracés ressemblent exactement au diagramme d'un manuel de géophysique qui décrit la dispersion des ondes équatoriales, " a déclaré Marston. "Lorsque les isolants topologiques ont été découverts il y a une décennie, c'était une nouvelle physique, mais à notre grande surprise, la Terre l'a toujours fait."

La recherche permet d'expliquer l'existence de plusieurs types d'ondes équatoriales. L'un d'eux, connue sous le nom d'onde de Kelvin équatoriale, délivre des impulsions périodiques d'eau chaude sur les côtes d'Amérique du Sud, qui est l'oscillation El Niño. Les résultats expliquent également comment ces vagues persistent malgré les tempêtes et les vents changeants, et comment ils passent directement à côté d'îles dont on pourrait s'attendre à ce que les vagues se dispersent.

"Dans les isolants topologiques, le courant est capable de traverser les impuretés du matériau comme s'il n'y en avait pas, " dit Marston. " C'est à cause de leur nature topologique, et cela nous aide à comprendre pourquoi les ondes équatoriales et l'oscillation d'El Niño persistent malgré le fait qu'elles soient bousculées par la météo et d'autres obstacles."

En plus d'aider à expliquer la persistance des cycles El Niño, Marston dit que ces mêmes dynamiques se produisent probablement ailleurs dans le système climatique - dans la haute atmosphère, par exemple. Reconnaître la nature topologique de ces phénomènes pourrait aider les scientifiques à mieux comprendre leur fonctionnement, dit Marston.

« En pratique, cela nous donnera de nouvelles façons d'identifier ce type de dynamique climatique en examinant la topologie, ", a-t-il dit. "Nous pourrions être en mesure de trouver et de comprendre des structures topologiques qui ont peut-être été manquées auparavant."