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拓扑数学是由几何学与集合论里发展出来的学科，研究空间、维度与变换等概念，即研究物体如何通过拉伸或扭曲而不是撕裂或破坏而变形。
约50年前，布朗大学的英裔美国凝聚体物物理学家、约翰·科斯特利茨（John Kosterlitz），使用拓扑数学来解释某些物质的令人困惑的相变。这项工作使科斯特利茨获得了2016年诺贝尔物理学奖，并导致发现了各种系统中的拓扑现象，从仅在其边缘导电的薄膜、到在海洋和大气中传播的奇异波、到太阳磁场中的等离子体射流。
如图所示，太阳的突出部分是沿着磁场线运动的等离子体射流，它从太阳表面爆发。新的研究表明，磁场中的等离子体在其表面上应该具有“受拓扑保护”的波，这可以帮助科学家更好地理解等离子体物理学。
现在，包括另一位布朗物理学家在内的一组研究人员在这个不断增长的领域增添了新的拓扑现象。在新的理论研究中，研究小组表明，在等离子体表面（电离气体的热汤）上应该存在拓扑起源的电磁波。如果理论证明是正确的，那么这些波就可以为科学家探测等离子体的性质提供新的途径，这种等离子体的性质从荧光灯到恒星都可以发现。
这项研究由劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（Lawrence Livermore National Laboratory）的研究科学家杰弗里·帕克（Jeffrey Parker）与布朗物理学教授布拉德·马斯顿（Brad Marston）等人共同领导。
当系统暴露于强磁场中时，称为气态等离子体激元（gaseous plasmon polaritons）的波会沿着等离子体及其周围环境的界面传播。马斯顿说，这些波的有趣之处在于它们受到“拓扑保护”，这意味着它们固有地存在于系统中，并且不会被杂质散射。
马斯顿说：“任何时候只要有防止散射的波，它就可以在很长的距离内保持完好无损。” “实际上，我们希望这些可以用于诊断等离子体状态。等离子体物理学中的一大问题是要在不干扰等离子体的情况下找出等离子体的状态。如果扎在探针上，将会破坏系统。我们也许能够使用这些波来识别等离子体的状态而不会干扰它。”
马斯顿说，考虑拓扑保护的一种方法是称为毛球定理（hairy ball theorem）。想象一下一个长发覆盖的球，如果要试着梳理那些头发，那么在球上至少会有一个地方不会使头发平放。“这个地方将永远存在，”“您可以随意移动它，但是摆脱它的唯一方法是将头发扯掉。但是，除非有类似的暴力行为，否则如果连续操纵它而不撕扯任何东西，总是会有漩涡。”
马斯顿说，毛球上不断出现的涡旋在数学上类似于等离子体表面上的波。“在这种情况下，总会有涡旋，但它在不同波的波长中的波数空间（wave-number space）。” “它比实际空间要抽象一些，但是在数学上很大程度上是相似的。”
充实了这些波动理论基础之后，研究人员下一步就是进行实验以确认它们确实存在。在加利福尼亚大学洛杉矶分校（UCLA）基本等离子物理设施的研究人员的协作下，研究团队进行实验以检测这些波。
最终，马斯顿希望这些波的发现可能对等离子体物理学带来福音，从而帮助科学家更好地理解和控制等离子体系统。马斯顿感兴趣的一个主要领域是等离子体聚变反应器。这样的反应堆有一天可以利用核聚变产生大量的清洁能源，但是到目前为止，等离子体系统难以控制。
马斯顿说：“从长远来看，我们希望这能对聚变能产生影响。” “如果我们能够利用这些波来识别等离子体状态，则可能有助于设计出稳定且能够产生能量的聚变反应堆。”
目前，研究团队在计划他们的实验。马斯顿说：“如果我们能够通过实验证明这些事情，那么等离子体研究领域的人们将有望开始更加关注这个想法。”
该研究团队成员之一、论文作者之一、还有在布朗大学从事研究的中国学者、朱子燕（Ziyan Zhu）。
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