拓扑领域或表面如何在不同维度上表现的行为深刻地影响了当前对物质的理解。最好的例子是拓扑绝缘体，它仅在表面上导电，同时在体内完全绝缘。拓扑绝缘体表现得像金属，即表面上的银，但在内部，它表现得像玻璃。这些属性是使用电子的电导率或流动来定义的，描绘了它们的运动是否存在高速公路或路障。拓扑绝缘体未来应用的一个主要驱动因素是自旋电子器件领域，因为这些电子一致旋转，在表面流动时彼此对齐。

现在，电气和计算机工程研究人员首次提出，这种相同的电子传导性会影响原子物质内部光的拓扑性质。

“我们发现存在一个新的物质拓扑阶段，其中光仅在原子物质的边缘流动但不在其内部。可能存在一些具有这种独特光子特性的非常特殊的物质，这就是我们所说的量子物质的陀螺电相，“普渡大学电气和计算机工程副教授Zubin Jacob说。

这个物质阶段的另一个关键定义属性是被称为“光子skyrmion”的拓扑激发。在传统的磁体中，电子自旋可以被认为是彼此对准或反对齐的微小箭头。与之形成鲜明对比的是，skyrmions是旋转激发，表现出旋转的独特翻滚行为（见图）。它们对刺激非常稳定，可以用于自旋电子开关和记忆。量子陀螺电相在光子波的能量 - 动量空间中存在skyrmions，并且可以用作该物质阶段的吸烟枪标记。

这种材料可以通过“掺杂”或改变现有材料的原子结构来合成。寻找这一阶段的好地方是二维材料，如石墨烯。

Jacob和博士生Todd Van Mechelen撰写了一系列发表在研究期刊上的四篇论文，提出了这一阶段的理论。

该研究由国防高级研究计划局的Nascent Light-Matter Interactions Program和国家科学基金会资助。

未来的研究将探索掺杂2-D材料以实现量子陀螺电相并研究光波如何在材料边缘传播。