科学家在等离子准晶体中揭开四维拓扑电荷向量的神秘面纱，探索光波奇妙运动与守恒规律，为高维物理研究点亮新灯塔。
物理世界的对称性与拓扑特性总有着千丝万缕的联系。准晶体虽看似有序，却没有传统意义上的平移或旋转对称，这让它显得格外独特。理论上，科学家早已猜想，准晶体可能是高维晶体投影到低维空间的产物。Tsesses 等人用等离子体系统验证了这一想法：当他们将四维空间压缩到二维时，光波在准晶体上的舞动展现出四维拓扑电荷向量的轨迹，还伴随令人惊叹的守恒法则。这不仅是一次突破，更是为探索更高维度的拓扑世界铺平了道路。
诺特定理告诉我们，系统的对称性往往决定了守恒量的存在，而这些对称性又塑造了拓扑结构。随着维度的增加，一切变得更加扑朔迷离。准晶体虽然在二维空间里少了些对称的影子，但在高维世界中却悄悄找回了平衡。我们在五边形等离子准晶格中捕捉到四维拓扑电荷向量，它们像指挥家一样掌控着二维准晶的真实结构，还揭示出隐藏的守恒规则。通过相位分辨和时域近场显微镜，我们不仅能看到这些特征，还能随着时间推移调整它们的投影。这就像在实验室里搭建了一座桥梁，让我们得以触碰准晶体的热力学秘密和高维拓扑的深层本质。
拓扑学研究的是物体在拉伸、扭转或弯曲时依然不变的特性，这些特性常被称作拓扑电荷。它们的影响力无处不在，从宇宙天体的诞生到简单波动的错位，都能看到它们的身影。在凝聚态物理和光学领域，拓扑分析更是大放异彩。比如，光与物质的互动方式可以通过拓扑电荷来调控，甚至还能用来存储和传递数字信息。维度越高，现象就越丰富多彩。为了追寻更复杂的拓扑结构，科学家们甚至尝试人为提升系统的维度，催生了“合成维度物理”这一新领域。而准晶体却与众不同，它天生就带有高维拓扑的基因。
与普通周期结构相比，准晶体拥有更多自由度，仿佛是生长在高维平面上的规则晶体。正是这种特性，让它成为研究高维拓扑物理的绝佳舞台。不过，准晶体在物理平面缺少对称性，要在真实空间中找到并观察它的拓扑电荷可不是件容易事。这时，高维错位成了解锁谜题的关键。我们发现，追踪物理参数在闭合回路上的变化，就能勾勒出拓扑的轮廓。比如，一个带有轨道角动量的波会在中心形成涡旋，涡旋的相位奇点就像个小缺陷。只要沿着包围它的路径走一圈，相位的累积总会是 2π 的整数倍，这个整数就是拓扑电荷，记录了相位转圈的次数。
换个角度看，要回到初始相位，就得减去一个量，这个量可以看作一维向量。推到多维时，这些错位向量就变成了拓扑电荷向量的源泉。在晶体学中，类似的错位向量叫伯格斯向量，它定义了晶体中的缺陷和潜在拓扑。我们在实验中证实，二维准晶体的高维空间里确实存在拓扑电荷向量。通过观察电磁表面波在金表面的干涉，我们监控并操控了这些特性。这套方法简单直接，不仅适用于其他波系统，还能帮助我们更轻松地探索高维物理。
由于我们研究的准晶体有五边形对称性，拓扑电荷向量在四维空间中显现。如果换成更高阶的对称性，比如七边形，自由度会更多，拓扑的维度也会随之扩展。更有趣的是，我们的二维准晶波动中似乎藏着三维拓扑缺陷的影子，比如斯格明子。虽然边界模糊让它们难以真正成形，但最近的研究已在三维准晶波中发现了四维时空斯格明子，令人兴奋不已。
实验还揭示了一个有趣的现象：准晶干涉模式的信息并非局限在某一点，要准确描述拓扑电荷，得在多个位置测量。这特性或许能为信息传输加上安全锁，无论是经典还是量子信息，都能更抗干扰。如果在非线性介质中生成准晶干涉，还可能实现信息的拓扑保护。此外，我们的模型虽不局限于特定系统，却与解释准晶材料热力学性质的电荷密度波模型一脉相承。这意味着，波干涉的相位积累或许能直接反映材料的自由能变化。未来，科学家们可以借助这一发现，研究准晶体在绝热条件下的热力学行为，这可是个不小的挑战。
本文译自 Science，由BALI编辑发布。
