Defekter kan hjælpe forskere med at forstå topologiens eksotiske fysik

Virkelige materialer er normalt mere rodede end de idealiserede scenarier, der findes i lærebøger. Ufuldkommenheder kan tilføje komplikationer og endda begrænse materialets anvendelighed. For at komme uden om dette, forskere stræber rutinemæssigt efter at fjerne defekter og snavs helt, skubber materialer tættere på perfektion. Nu, forskere ved University of Illinois i Urbana-Champaign har vendt dette problem og vist, at for nogle materialer kan defekter fungere som en sonde for interessant fysik, frem for en gener.

Holdet, ledet af professorerne Gaurav Bahl og Taylor Hughes, studerede kunstige materialer, eller metamaterialer, som de konstruerede til at omfatte fejl. De brugte disse tilpassede kredsløb som en proxy til at studere eksotiske topologiske krystaller, som ofte er ufuldkomne, svært at syntetisere, og notorisk vanskelig at undersøge direkte. I en ny undersøgelse, udgivet i 20. januar udgave af Natur , forskerne viste, at defekter og strukturelle deformationer kan give indsigt i et rigtigt materiales skjulte topologiske træk.

"De fleste undersøgelser på dette område har fokuseret på materialer med perfekt intern struktur. Vores team ønskede at se, hvad der sker, når vi tager højde for ufuldkommenheder. Vi blev overraskede over at opdage, at vi faktisk kunne bruge defekter til vores fordel, "sagde Bahl, en lektor ved Institut for Mekanik og Teknik. Med den uventede hjælp, teamet har skabt en praktisk og systematisk tilgang til at udforske topologi af ukonventionelle materialer.

Topologi er en måde at matematisk klassificere objekter efter deres overordnede form, frem for hver eneste lille detalje i deres struktur. En almindelig illustration af dette er et kaffekrus og en bagel, som har den samme topologi, fordi begge objekter kun har ét hul, som du kan vikle fingrene igennem.

Materialer kan også have topologiske træk relateret til klassificeringen af ​​deres atomstruktur og energiniveau. Disse funktioner fører til usædvanlige, dog muligvis nyttigt, elektronadfærd. Men at verificere og udnytte topologiske effekter kan være vanskelig, især hvis et materiale er nyt eller ukendt. I de seneste år, forskere har brugt metamaterialer til at studere topologi med et kontrolniveau, der er næsten umuligt at opnå med virkelige materialer.

"Vores gruppe udviklede et værktøjskasse til at kunne undersøge og bekræfte topologi uden at have nogen forudfattede forestillinger om et materiale." siger Hughes, der er professor i Institut for Fysik. "Dette har givet os et nyt vindue til at forstå materialets topologi, og hvordan vi skal måle det og bekræfte det eksperimentelt."

I en tidligere undersøgelse offentliggjort i Videnskab , teamet etablerede en ny teknik til at identificere isolatorer med topologiske egenskaber. Deres resultater var baseret på at oversætte eksperimentelle målinger foretaget på metamaterialer til sproget for elektronisk ladning. I dette nye værk, holdet gik et skridt videre - de brugte en ufuldkommenhed i materialets struktur til at fange et træk, der svarer til fraktionelle ladninger i virkelige materialer.

En enkelt elektron i sig selv kan ikke bære en halv ladning eller anden fraktioneret mængde. Men, fragmenterede ladninger kan dukke op i krystaller, hvor mange elektroner danser sammen i en balsal med atomer. Denne koreografi af interaktioner fremkalder mærkelig elektronisk adfærd, der ellers ikke er tilladt. Fraktionelle ladninger er ikke blevet målt i hverken naturligt forekommende eller specialudviklede krystaller, men dette team viste, at analoge mængder kan måles i et metamateriale.

Teamet samlede arrays af mikrobølgeresonatorer i centimeterskala på en chip. "Hver af disse resonatorer spiller rollen som et atom i en krystal og, ligner et atoms energiniveauer, har en bestemt frekvens, hvor den let absorberer energi - i dette tilfælde er frekvensen den samme som for en konventionel mikrobølgeovn. "sagde hovedforfatter Kitt Peterson, en tidligere kandidatstuderende i Bahls gruppe.

Resonatorerne er arrangeret i firkanter, gentagelse på tværs af metamaterialet. Holdet inkluderede defekter ved at forstyrre dette firkantede mønster - enten ved at fjerne en resonator for at lave en trekant eller tilføje en for at skabe en femkant. Da alle resonatorer er forbundet med hinanden, disse entydige disclinationsfejl risler ud, vridning af materialets overordnede form og dets topologi.

Teamet injicerede mikrobølger i hver resonator i arrayet og registrerede mængden af ​​absorption. Derefter, de oversatte matematisk deres målinger for at forudsige, hvordan elektroner virker i et ækvivalent materiale. Fra dette, de konkluderede, at fraktionelle ladninger ville blive fanget på disklinationsfejl i en sådan krystal. Med yderligere analyse, teamet demonstrerede også, at fanget fraktionsladning signalerer tilstedeværelsen af ​​visse former for topologi.

"I disse krystaller, fraktionel ladning viser sig at være den mest fundamentale observerbare signatur af interessante underliggende topologiske træk "sagde Tianhe Li, en teoretisk fysik kandidatstuderende i Hughes 'forskergruppe og en medforfatter på undersøgelsen.

At observere fraktioneret ladninger direkte er fortsat en udfordring, men metamaterialer tilbyder en alternativ måde at teste teorier og lære om at manipulere topologiske former for stof. Ifølge forskerne, pålidelige sonder til topologi er også afgørende for udvikling af fremtidige applikationer til topologiske kvantematerialer.

Forbindelsen mellem materialets topologi og dets ufuldkomne geometri er også bredt interessant for teoretisk fysik. "At konstruere et perfekt materiale afslører ikke nødvendigvis meget om rigtige materialer, " siger Hughes. "Således, undersøge sammenhængen mellem fejl, ligesom dem i denne undersøgelse, og topologisk stof kan øge vores forståelse af realistiske materialer, med alle deres iboende kompleksiteter. "