Dans un travail qui fournit des informations sur plusieurs domaines de la physique des ondes, y compris l'électromagnétisme de Maxwell, états quantiques topologiques, et plasmonique/métamatériaux, les scientifiques ont montré que les ondes électromagnétiques de surface bien connues aux interfaces entre des milieux isotropes homogènes, obtenu dans l'électromagnétisme de Maxwell classique, ont aussi une origine purement topologique, similaire aux états topologiques quantiques.

la théorie électromagnétique de Maxwell, qui a été formulé il y a 150 ans, a été l'une des plus grandes percées de la physique. Il unissait l'électricité et le magnétisme, fourni une description ultime des ondes électromagnétiques, y compris la lumière, et la relativité anticipée et les théories des champs du 20e siècle. Plus récemment, il y a plus de 60 ans, les scientifiques ont découvert que le rayonnement électromagnétique peut non seulement se propager dans l'espace libre, mais peut également former des ondes de surface aux interfaces entre les médias, comme entre les métaux et l'air ou le verre. Cela a abouti au développement de la plasmonique et des métamatériaux, où les ondes électromagnétiques de surface sous-tendent un certain nombre de phénomènes et d'applications utiles.

Un autre domaine de la physique moderne où les ondes de surface jouent un rôle crucial sont les systèmes quantiques topologiques, qui sont très robustes contre les petites perturbations et les déformations continues. La découverte de phases topologiques non triviales dans les systèmes quantiques de matière condensée et l'existence de modes de surface topologiques aux interfaces entre des matériaux topologiquement différents ont abouti au prix Nobel de physique en 2016.

Maintenant, dans un article publié dans Communication Nature , des scientifiques du RIKEN Cluster for Pioneering Research au Japon ont démontré que les ondes électromagnétiques de surface bien connues aux interfaces entre les milieux isotropes homogènes, obtenu dans l'électromagnétisme de Maxwell classique, ont aussi une origine purement topologique, similaire aux états topologiques quantiques.

Cette nouvelle approche éclaire l'origine des ondes électromagnétiques de surface et explique pourquoi ces ondes apparaissent aux interfaces où l'un des paramètres du milieu (la permittivité diélectrique ou la perméabilité magnétique) change de signe. De plus, le nombre de modes surfaciques est déterminé par le nombre de paramètres du milieu massif changeant de signe à l'interface, ce qui est appelé "correspondance vrac-frontière" dans le formalisme topologique.

Konstantin Bliokh dit, "Il existe une différence cruciale entre la description topologique des ondes de surface de Maxwell et celle des modes de surface topologiques connus auparavant. Jusqu'à présent, les propriétés topologiques et la classification de divers systèmes d'ondes se sont appuyées sur les propriétés mathématiques de l'hamiltonien (c'est-à-dire, énergie) opérateur caractérisant le système. En revanche, les propriétés topologiques des ondes de Maxwell sont décrites par l'opérateur dit d'hélicité, qui caractérise la chiralité - ou la latéralité - des ondes électromagnétiques à polarisation circulaire. Ainsi, notre théorie étend également la gamme d'applicabilité de l'approche topologique à d'autres systèmes d'ondes. Il montre que la classification topologique peut être associée non seulement à l'hamiltonien mais aussi à d'autres opérateurs correspondant à des quantités physiques conservées."

Franco Nori dit, « Notre travail apporte une nouvelle tournure et de nouvelles perspectives pour plusieurs domaines de la physique des ondes :l'électromagnétisme de Maxwell, états quantiques topologiques, et plasmonique/métamatériaux."