拓撲學領域或對表面在不同維度上如何表現的研究，深刻地影響了當前對物質的理解。最主要的例子是拓撲絕緣體，它只在表面導電，而在內部完全絕緣。拓撲絕緣子的行為類似於金屬，即表面上的銀，但在內部，它的行為就像玻璃。這些屬性是使用電子的導電性或流動來定義的，這些電子描述了它們的運動是否有高速公路或路障。拓撲絕緣體未來應用的一個主要驅動因素是自旋電子器件領域。因為這些電子一致的自旋，所有電子都在表面流動時彼此對齊。
現在，電氣和計算機工程研究人員首次提出：這種相同的電子電導率會影響原子物質內部光的拓撲屬性。普渡大學電氣和計算機工程副教授祖賓·雅各布表示：研究表明，物質可能存在一種新的拓撲相，光只在原子材料的邊緣流動，而不在原子材料內部流動。可能存在一些非常特殊的材料，具有這種獨特的光子特性，這就是物質的量子自旋電相。物質這一相的另一個關鍵定義性質是被稱為「光子斯格明子」的拓撲激發。在傳統的磁鐵中，電子自旋可以被認為是相互對準或反對準的微小箭頭。
與之形成鮮明對比的是：斯格明子是自旋激發，顯示出自旋獨特的翻滾行為，對刺激非常穩定，可用於自旋電子開關和存儲器。量子自旋電相在光波的能量動量空間中承載著斯格明子，可以用作這種物質相的確鑿證據。這種材料可以通過「摻雜」或改變現有材料的原子結構來合成，尋找這一相的好地方是在二維材料中，如石墨烯。Jacob和博士生Todd Van Mechelen在《光學材料快報》發表了一系列四篇研究論文，提出了物質這一相的理論。
未來的研究將探索摻雜二維材料以實現量子自旋電相，並研究光波如何在材料的邊緣傳播。通過利用狄拉克-麥克斯韋對應，研究引入了適用於光子晶體、超材料和二維材料的光子狄拉克單極子概念。從探索真空開始，在真空中，麥克斯韋方程和狄拉克方程(Weyl方程)的倒數動量空間都具有磁單極子。最關鍵的區別是磁性單極電荷的本質，它對於光子來說是整數值，對於電子來說是半整數。這種固有的差異直接與自旋有關，並最終與玻色子或費米子行為相連。
研究還展示了光子狄拉克弦的存在，這是底層Berry規範勢中的線奇點。雖然真空中的結果是直觀預期的，但結果是將這種拓撲狄拉克-麥克斯韋對應應用於二維光子(玻色子)材料，而不是傳統的電子(費米子)材料。有趣的是，在色散物質中，光子狄拉克單極的存在是由非局域量子霍爾電導率(即時空色散的回電常數)捕獲。對於二維光子和電子介質，拓撲相出現在具有破缺時間反轉對稱性的大質量粒子下。研究揭示了新提出的物質量子自旋電相，以及光子自旋量子化在拓撲玻色相中的基本作用。
博科園｜文：Emil Venere/phys參考期刊《光學材料快報》DOI: 10.1364/OME.9.000095博科園｜科學、科技、科研、科普