Science：等离子体准晶中的四维守恒拓扑电荷矢量

一、 【科学背景】  

        根据诺特定理，物理系统中的对称性与守恒量密切相关。这些对称性通常决定了系统的拓扑结构，而随着维度的增加，这种拓扑结构变得更加复杂。准晶既没有平移对称性，也没有全局旋转对称性，但它们本质上存在于一个更高维度的空间中，其中对称性重新出现。在这里，以色列理工学院和麻省理工学院-哈佛大学超冷原子研究中心及电子研究实验室的Shai Tsesses和Guy Bartal团队，发现了四维（4D）中的拓扑电荷矢量，这些矢量支配着二维准晶的真实空间拓扑结构，并揭示了它们固有的守恒定律。在五边形等离子体准晶格中展示了对拓扑结构的控制，这些准晶格通过相位分辨和时域近场显微镜进行映射，表明它们的时间演化连续调节了它们不同四维拓扑结构的二维投影。该工作为实验探测准晶的热力学性质以及四维及以上空间中的拓扑物理提供了一种途径。相关研究成果以“Four-dimensional conserved topological charge vectors in plasmonic quasicrystals”为题目发表在国际顶级期刊Science上。

二、【科学贡献】

图1研究准晶中的位错及其产生的拓扑电荷：概念与实现。© 2025 Science

图2五边形等离子体准晶格的相位分辨近场显微镜。© 2025 Science

图3五边形等离子体准晶格中的拓扑电荷守恒。© 2025 Science

图4通过时间相位控制拓扑不同的准晶格的二维投影。© 2025 Science

三、【 创新点】 

      1．准晶干涉图样所包含的信息并非局部的；也就是说，对其拓扑电荷的正确表征需要在多个位置测量场。

2. 建立了用于解释准晶材料的力学和热力学性质的干涉电荷密度波模型。这些模型之间的对应关系表明，波干涉的时间依赖相位累积可以直接与给定准晶材料中基态自由能的变化相关联。
3. 实验利用自由能如何补偿材料中位错的存在这一特性，检验准晶在自由能绝热变化下的热力学性质，而这是通过其他手段很难完成。

四、【 科学启迪】

       本文的研究结果证明了二维准晶的高维空间中存在拓扑电荷矢量。准晶的场分布是从高维空间投影而来的，并且包含了关于高维拓扑的信息。通过构建关于解释准晶材料的力学和热力学性质的干涉电荷密度波模型，监测并获取了以下信息：即金表面上的电磁表面波的干涉。原则上，这些结果可以在其他波系统中重现。因此，准晶波干涉图样是检验物理系统高维拓扑结构的简单而直接的方法。

       由于本文研究的是五边形对称性，对应的拓扑电荷矢量在四维空间中显现。然而，更高的质数对称性提供了更多的自由度以及更多的非简并拓扑电荷矢量，从而增加了被检验拓扑结构的维度。此外，三维拓扑缺陷，如斯格明子（skyrmions），可能存在于二维准晶波干涉中。

原文详情：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adt2495