Verkliga material är vanligtvis stökigare än de idealiserade scenarierna som finns i läroböcker. Ofullkomligheter kan skapa komplikationer och till och med begränsa ett materials användbarhet. För att komma runt detta, forskare strävar rutinmässigt efter att ta bort defekter och smuts helt, skjuta material närmare perfektion. Nu, forskare vid University of Illinois i Urbana-Champaign har vänt detta problem och visat att för vissa material kan defekter fungera som en sond för intressant fysik, snarare än en olägenhet.

Laget, ledd av professorerna Gaurav Bahl och Taylor Hughes, studerade konstgjorda material, eller metamaterial, som de konstruerade för att inkludera defekter. De använde dessa anpassningsbara kretsar som en proxy för att studera exotiska topologiska kristaller, som ofta är ofullkomliga, svårt att syntetisera, och notoriskt knepigt att undersöka direkt. I en ny studie, publicerad i numret 20 januari av Natur , forskarna visade att defekter och strukturella deformationer kan ge insikter om ett verkligt materials dolda topologiska egenskaper.

"De flesta studier inom detta område har fokuserat på material med perfekt intern struktur. Vårt team ville se vad som händer när vi tar hänsyn till brister. Vi blev förvånade över att upptäcka att vi faktiskt kunde använda defekter till vår fördel, sa Bahl, en docent vid institutionen för maskinvetenskap och teknik. Med den oväntade hjälpen, teamet har skapat ett praktiskt och systematiskt tillvägagångssätt för att utforska topologin hos okonventionella material.

Topologi är ett sätt att matematiskt klassificera objekt efter deras övergripande form, snarare än varje liten detalj i deras struktur. En vanlig illustration av detta är en kaffemugg och en bagel, som har samma topologi eftersom båda objekten bara har ett hål som du kan slå fingrarna igenom.

Material kan också ha topologiska egenskaper relaterade till klassificeringen av deras atomära struktur och energinivåer. Dessa egenskaper leder till ovanliga, ändå möjligen användbar, elektronbeteenden. Men att verifiera och utnyttja topologiska effekter kan vara knepigt, särskilt om ett material är nytt eller okänt. På senare år har forskare har använt metamaterial för att studera topologi med en kontrollnivå som är nästan omöjlig att uppnå med verkliga material.

"Vår grupp utvecklade en verktygslåda för att kunna undersöka och bekräfta topologi utan att ha några förutfattade meningar om ett material." säger Hughes, som är professor vid institutionen för fysik. "Detta har gett oss ett nytt fönster för att förstå materialets topologi, och hur vi ska mäta det och bekräfta det experimentellt."

I en tidigare studie publicerad i Vetenskap , laget etablerade en ny teknik för att identifiera isolatorer med topologiska egenskaper. Deras resultat baserades på att översätta experimentella mätningar gjorda på metamaterial till språket för elektronisk laddning. I detta nya arbete, teamet gick ett steg längre – de använde en ofullkomlighet i materialets struktur för att fånga in en egenskap som är likvärdig med fraktionerad laddning i verkliga material.

En enda elektron i sig själv kan inte bära en halv laddning eller någon annan delmängd. Men, fragmenterade laddningar kan dyka upp i kristaller, där många elektroner dansar tillsammans i en balsal av atomer. Denna koreografi av interaktioner framkallar udda elektroniska beteenden som annars är otillåtna. Fraktionella laddningar har inte mätts i vare sig naturligt förekommande eller specialodlade kristaller, men detta team visade att analoga kvantiteter kan mätas i ett metamaterial.

Teamet satte ihop arrayer av mikrovågsresonatorer i centimeterskala på ett chip. "Var och en av dessa resonatorer spelar rollen som en atom i en kristall och, liknande en atoms energinivåer, har en specifik frekvens där den lätt absorberar energi - i det här fallet liknar frekvensen den för en konventionell mikrovågsugn." sa huvudförfattaren Kitt Peterson, en före detta doktorand i Bahls grupp.

Resonatorerna är arrangerade i rutor, upprepas över metamaterialet. Teamet inkluderade defekter genom att störa detta kvadratiska mönster - antingen genom att ta bort en resonator för att göra en triangel eller lägga till en för att skapa en femhörning. Eftersom alla resonatorer är sammankopplade, dessa singulära disklinationsdefekter rinner ut, förvränga materialets övergripande form och dess topologi.

Teamet injicerade mikrovågor i varje resonator i arrayen och registrerade mängden absorption. Sedan, de översatte matematiskt sina mätningar för att förutsäga hur elektroner verkar i ett ekvivalent material. Från detta, de drog slutsatsen att fraktionerade laddningar skulle fångas på disklinationsdefekter i en sådan kristall. Med ytterligare analys, teamet visade också att fångade fraktionerad laddning signalerar närvaron av vissa typer av topologi.

"I dessa kristaller, fraktionerad laddning visar sig vara den mest fundamentala observerbara signaturen för intressanta underliggande topologiska egenskaper", sa Tianhe Li, en teoretisk fysikstudent i Hughes forskargrupp och en medförfattare till studien.

Att iaktta brottladdningar direkt är fortfarande en utmaning, men metamaterial erbjuder ett alternativt sätt att testa teorier och lära sig om att manipulera topologiska former av materia. Enligt forskarna, tillförlitliga sonder för topologi är också avgörande för att utveckla framtida applikationer för topologiska kvantmaterial.

Sambandet mellan ett materials topologi och dess ofullkomliga geometri är också i stort sett intressant för teoretisk fysik. "Att konstruera ett perfekt material avslöjar inte nödvändigtvis mycket om riktiga material, säger Hughes. Alltså, studera sambandet mellan defekter, som de i den här studien, och topologisk materia kan öka vår förståelse av realistiska material, med alla deras inneboende komplexiteter."