החומרים המוצקים המוכרים לנו בטבע ניתנים לסיווג על פי תכונות המוליכות שלהם. באופן גס, גבישי חומרים מוצקים מתחלקים לשתי קבוצות עיקריות: מוליכים חשמלית ומבודדים חשמלית (ישנם גם חומרים מסוג מוליכים למחצה, אולם אנו לא נתייחס לחומרים אלו כאן). בעוד שחומרים מוליכים מאפשרים מעבר של זרם דרכם, חומרים מבודדים מונעים אותו, כך שזרם המגיע אל חומר מבודד יעצר, והחלקיקים נושאי הזרם יתפזרו.
בניגוד לחומרים המוכרים, מבודדים טופולוגיים אינם ניתנים לסיווג תחת הקטגוריות האלו. הם אינם מבודדים ואינם מוליכים, אלא נופלים תחת קטגוריה חדשה לגמרי. מבודדים טופולוגיים הם מבודדים במהותם: הנפח שלהם מבודד אך השפה שלהם מוליכה. במילים אחרות, אם נייצר כבל ממבודד טופולוגי, הכבל יהיה מבודד אולם פני השטח שלו יהיו מוליכים, וזאת אף על פי שכל הכבל עשוי מחומר אחד ואחיד. המוזרות של תכונות ההולכה של מבודדים טופולוגיים אינה מסתיימת כאן. בניגוד למוליכים "רגילים", שבהם יכול הזרם לזרום מימין לשמאל או משמאל לימין, הזרם על שפתם של מבודדים טופולוגיים יכול לנוע בכיוון אחד ויחיד. תכונה זו מובילה לתוצאה מעניינת נוספת: זרמי השפה של מבודדים טופולוגיים עמידים מאוד, לא מתפזרים כתוצאה מפגמים בחומר (כל עוד אלו אינם גדולים מדי), ולכן לא מאבדים אנרגיה ולא מייצרים חום.
כדי להבין את התופעה צריך להבין כיצד מתנהגים אלקטרונים בחומרים מוצקים. רוב החומרים המוצקים הם למעשה סריגים: מבנים מחזוריים גדולים המורכבים מאטומים רבים. באטום בודד, ניתן לתאר את האלקטרונים (בדיוק מוגבל) בעזרת מסלולים אטומים קוונטיים: מסביב לגרעין האטום, ישנם מצבים אפשריים של אלקטרונים, כך שכל אלקטרון המקיף את הגרעין מאכלס את חלקם. לפיכך, האלקטרונים יכולים לנוע רק במסלולים מוגדרים היטב, הנקבעים באופן יחיד על ידי מבנה גרעין האטום.
בחומרים מוצקים המסלולים האטומיים "מתחברים", כתוצאה מהתגובה ההדדית בין האטומים, למסלולים ארוכים המקיפים אטומים רבים. התיאור הנפוץ של התכונות הפיזיקליות של חומרים מוצקים מבוסס על מסלולים אלו, הנקראים גם מסלולים אנרגטיים או פסי אנרגיה. בעזרת ניתוח של פסי האנרגיה ניתן לחזות את רוב תכונות החומר.
בחומרים מבודדים ישנו "פער" משמעותי בין האנרגיה של המצבים המאוכלסים, לבין האנרגיה של המצבים הפנויים. לכן, יש צורך באנרגיה רבה כדי לעורר מצב חדש במבודד. מסיבה זו חומרים אלו לא מוליכים: לא ניתן לייצר מצבים מוליכים כי לא ניתן לעורר מצבים חדשים בתוכם. ניתן לשבור תכונה זו בעזרת השקעת אנרגיה גבוהה מספיק. במוליכים, לעומת זאת, אין פער אנרגטי, או שיש פער אנרגטי קטן מאוד, כך שגם אנרגיה נמוכה יכולה לעורר מצבים חדשים ולגרום לתנועת אלקטרונים בתוך החומר.
למבודדים טופולוגיים ישנו פער אנרגטי כמו למבודדים רגילים. אולם בניגוד למבודדים רגילים, במבודדים טופולוגיים יש מספר סופי של מצבים החוצה את הפער האנרגטי. כל המצבים החוצים את הפער האנרגטי מרוכזים על שפת החומר ולכולם (עד כדי הגבלות מסוימות) יש מהירות מוגדרת באותו הכיוון, כך שבפועל, ניתן לעורר מצבים בכיוון אחד בלבד, ועל שפת המבודד הטופולוגי בלבד. זו גם הסיבה לכך שזרמים אלו כל כך יציבים, ואינם מתפזרים: כדי להתפזר, האלקטרון צריך לעבור למצב קוונטי חדש. במבודדים טופולוגיים אין מצב כזה, והאלקטרון ישאר במצב האנרגטי בו הוא נמצא וימשיך לנוע באותו כיוון, גם אם נתקל בפגמים בחומר. לפיכך הוא לא מאבד אנרגיה ולא מייצר חום.
השימושים האפשריים של מבודדים טופולוגיים הם רבים, ונעים בין מחשבים חסכוניים מאוד דרך העברת מידע מושלמת ועד לחלק מהתשתית הדרושה ליצירת מחשבים קוונטיים ("הגביע הקדוש" של חלק גדול מאוד מהמדענים בעולם).
ולמה בכלל קוראים למבודדים האלו "מבודדים טופולוגיים"?
מקור השם "מבודדים טופולוגיים" טמון באופן שבו ניתן להפוך מבודד רגיל לטופולוגי. טופולוגיה היא ענף של המתמטיקה המסווג גופים על פי תכונות שלא משתנות באופן רציף, כמו למשל על ידי מתיחה או כיווץ. שני אובייקטים נבדלים זה מזה טופולוגית אם יש צורך בפעולות לא רציפות, כמו קריעה או הדבקה, כדי להפוך אחד מהם לשני.
למשל, ספרה (כדור חלול) וצינור הם אובייקטים נפרדים טופולוגית. לא ניתן להפוך ספרה לצינור על ידי מתיחה. הדרך היחידה להפוך את הספרה לצינור היא לעשות בה חור, כלומר לקרוע אותה. המשמעות היא שהדרך היחידה להפוך ספרה לצינור היא להעזר בשינוי צורה לא רציף (קריעה) ולכן צורות אלו נבדלות טופולוגית. לעומת זאת, ספרה וקובייה חלולה הינן צורות שקולות מבחינה טופולוגית. ניתן לעוות ספרה ולהפוך אותה לקובייה חלולה, או לבצע את התהליך בכיוון ההפוך.
באותו אופן, לא ניתן להפוך מבודד רגיל לטופולוגי באופן רציף, כמו למשל על ידי הפעלת שדה חיצוני שלא הורס את המבנה האנרגטי של האלקטרונים בחומר. כל מעבר כזה דורש סגירה של הפער האנרגטי ופתיחה מחדש שלו, כשלאחר הפתיחה הוא מכיל מספר מצבים סופי המחברים את חלקו העליון לחלקו התחתון. לפיכך, ניתן לסווג מבודדים רגילים וטופולוגיים לקבוצות מובדלות "טופולוגית", ומכאן מקור שמם.
השאלה הפתוחה העיקרית במבודדים טופולוגיים היא האם ניתן לעשות בהם שימוש מעשי. המגבלה העיקרית היא אופן יצירת המבודדים הטופולוגיים. כיום, ישנן מעט מאוד דרכים לייצר מבודדים כאלו, ומעט מאוד אפשרויות להשאירם במצב המבודד הטופולוגי ללא השקעה מתמשכת של אנרגיה חיצונית. מדענים רבים חוקרים ללא הרף תחום זה, במטרה לייצר סוגים חדשים ויציבים של מבודדים טופולוגיים, שיאפשרו לנו לנצל את תכונותיהם המדהימות לייצר קפיצה טכנולוגית אדירה בעולם המחשוב והאלקטרוניקה.

תמונות:
דיוויד ת'אולס: University of Washington
דאנקן הלדיין: http://physics.princeton.edu/~haldane/
מייקל קוסטרליץ: http://www.brown.edu/Administration/News_Bureau/2007-08/07-047.html