Isoladores topológicos, materiais que isolam por dentro, mas conduzem eletricidade ao longo de suas bordas externas, criaram um burburinho na física da matéria condensada. Agora um novo estudo na revista Ciência mostra que o mesmo comportamento topológico que governa esses materiais exóticos também impulsiona as ondas equatoriais - pulsos de água quente do oceano que desempenham um papel importante na regulação do clima da Terra, incluindo o El Niño-Oscilação Sul.

"Essas ondas foram descobertas por geofísicos na década de 1960, mas eles não tinham um entendimento profundo de por que existiam, "disse Brad Marston, professor de física da Brown University e co-autor do novo estudo. "O que mostramos é que eles têm a mesma origem das ondas que são importantes na física do estado sólido - as ondas de elétrons que viajam ao redor das bordas dos isoladores topológicos."

A pesquisa foi inspirada por um tipo especial de isolante topológico que exibe o que é conhecido como efeito Hall quântico, que foi descoberto em 1980. A topologia desempenha um papel essencial no efeito Hall quântico foi reconhecido pelo Prêmio Nobel de Física 2016 que foi concedido a trio de físicos, incluindo Michael Kosterlitz da Brown University.

No efeito Hall quântico, um campo magnético faz com que os elétrons dentro de um material semicondutor viajem em círculos chamados órbitas de ciclotron. Esse movimento circular impede que um fluxo de elétrons - uma corrente - se mova através do material, exceto nas bordas externas do material. Lá, os elétrons só podem completar um semicírculo antes de ficarem sem espaço e baterem contra a borda. Como todos os elétrons em uma determinada borda executam seu movimento na mesma direção, todos aqueles semicírculos podem se conectar e formar uma corrente de borda. Assim, isoladores topológicos conduzem externamente e isolam internamente.

Marston e seus colaboradores, Pierre Delplace e Antoine Venaille, da Universidade de Lyon, na França, mostraram que dinâmicas análogas estão em jogo com as ondas equatoriais da Terra. No caso da Terra, o papel do campo magnético é desempenhado pelo efeito Coriolis - uma força aparente causada pela rotação do planeta. É o que faz os furacões girarem em direções opostas nos hemisférios norte e sul. O papel da borda é desempenhado pelo equador, onde a força Coriolis se quebra.

"Em cada um dos dois hemisférios, você tem a força de Coriolis empurrando em direções opostas, "Disse Marston." Isso captura as ondas no equador de uma forma muito semelhante a como a corrente em um isolador topológico fica presa em suas bordas. Embora a Terra não tenha uma 'borda' per se, o equador é essencialmente as bordas dos dois hemisférios colados. "

A matemática por trás dos dois fenômenos, Marston e seus colegas mostraram, é essencialmente idêntico.

"Se você olhar em artigos recentes de física de estado sólido, diagramas que descrevem a dispersão de elétrons em um isolador topológico, os gráficos se parecem exatamente com o diagrama de um livro de geofísica que descreve a dispersão das ondas equatoriais, "Disse Marston." Quando os isoladores topológicos foram descobertos há uma década, era uma nova física, mas, para nossa surpresa, a Terra tem feito isso o tempo todo. "

A pesquisa ajuda a explicar a existência de vários tipos de ondas equatoriais. Um deles, conhecida como onda Kelvin equatorial, fornece pulsos periódicos de água quente para a costa da América do Sul, que é a oscilação do El Niño. As descobertas também explicam como essas ondas persistem, apesar de serem atingidas por tempestades e mudanças de vento, e como eles passam direto por ilhas que podem causar a dispersão das ondas.

“Em isoladores topológicos, a corrente é capaz de se mover através das impurezas do material como se elas não estivessem lá, "Marston disse." Isso é por causa de sua natureza topológica, e nos ajuda a entender por que as ondas equatoriais e a oscilação do El Niño persistem, apesar de serem empurradas pelo clima e outros obstáculos. "

Além de ajudar a explicar a persistência dos ciclos do El Niño, Marston diz que essas mesmas dinâmicas provavelmente estão acontecendo em outras partes do sistema climático - na alta atmosfera, por exemplo. O reconhecimento da natureza topológica desses fenômenos pode ajudar a aprofundar a compreensão dos cientistas de como eles funcionam, Marston diz.

"Por uma questão prática, isso nos dará novas maneiras de identificar esses tipos de dinâmica climática, olhando para a topologia, "disse ele." Podemos ser capazes de encontrar e compreender estruturas topológicas que podem ter sido perdidas antes. "