Materialen uit de echte wereld zijn meestal rommeliger dan de geïdealiseerde scenario's in schoolboeken. Onvolkomenheden kunnen complicaties toevoegen en zelfs de bruikbaarheid van een materiaal beperken. Om dit te omzeilen, wetenschappers streven er routinematig naar om defecten en vuil volledig te verwijderen, materialen dichter bij perfectie brengen. Nutsvoorzieningen, onderzoekers van de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign hebben dit probleem omgedraaid en aangetoond dat voor sommige materiaaldefecten kunnen fungeren als een sonde voor interessante natuurkunde, in plaats van hinderlijk.

Het team, onder leiding van professoren Gaurav Bahl en Taylor Hughes, bestudeerde kunstmatige materialen, of metamaterialen, die ze zo hebben ontworpen dat ze defecten bevatten. Ze gebruikten deze aanpasbare circuits als een proxy voor het bestuderen van exotische topologische kristallen, die vaak onvolmaakt zijn, moeilijk te synthetiseren, en notoir lastig om direct te onderzoeken. In een nieuwe studie, gepubliceerd in het nummer van 20 januari van Natuur , de onderzoekers toonden aan dat defecten en structurele vervormingen inzicht kunnen geven in de verborgen topologische kenmerken van een echt materiaal.

"De meeste onderzoeken op dit gebied waren gericht op materialen met een perfecte interne structuur. Ons team wilde zien wat er gebeurt als we rekening houden met onvolkomenheden. We waren verrast toen we ontdekten dat we defecten in ons voordeel konden gebruiken, " zei Bahl, een universitair hoofddocent bij de afdeling Mechanical Science and Engineering. Met die onverwachte hulp, het team heeft een praktische en systematische aanpak ontwikkeld voor het verkennen van de topologie van onconventionele materialen.

Topologie is een manier om objecten wiskundig te classificeren op basis van hun algemene vorm, in plaats van elk klein detail van hun structuur. Een veel voorkomende illustratie hiervan is een koffiemok en een bagel, die dezelfde topologie hebben omdat beide objecten maar één gat hebben waar je je vingers doorheen kunt wikkelen.

Materialen kunnen ook topologische kenmerken hebben die verband houden met de classificatie van hun atomaire structuur en energieniveaus. Deze kenmerken leiden tot ongebruikelijke, maar mogelijk nuttig, elektronen gedrag. Maar het verifiëren en benutten van topologische effecten kan lastig zijn, vooral als een materiaal nieuw of onbekend is. In recente jaren, wetenschappers hebben metamaterialen gebruikt om topologie te bestuderen met een controleniveau dat bijna onmogelijk te bereiken is met echte materialen.

"Onze groep heeft een toolkit ontwikkeld om topologie te kunnen onderzoeken en bevestigen zonder vooroordelen over een materiaal." zegt Hughes, die hoogleraar is bij de afdeling Natuurkunde. "Dit heeft ons een nieuw inzicht gegeven in de topologie van materialen, en hoe we het moeten meten en experimenteel bevestigen."

In een eerdere studie gepubliceerd in Wetenschap , het team ontwikkelde een nieuwe techniek voor het identificeren van isolatoren met topologische kenmerken. Hun bevindingen waren gebaseerd op het vertalen van experimentele metingen op metamaterialen in de taal van elektronische lading. In dit nieuwe werk het team ging nog een stap verder:ze gebruikten een imperfectie in de structuur van het materiaal om een ​​kenmerk op te vangen dat equivalent is aan fractionele ladingen in echte materialen.

Een enkel elektron kan op zichzelf geen halve lading of een andere fractionele hoeveelheid dragen. Maar, gefragmenteerde ladingen kunnen verschijnen in kristallen, waar veel elektronen samen dansen in een balzaal van atomen. Deze choreografie van interacties veroorzaakt vreemd elektronisch gedrag dat anders niet zou zijn toegestaan. Fractionele ladingen zijn niet gemeten in natuurlijk voorkomende of op maat gemaakte kristallen, maar dit team toonde aan dat analoge grootheden kunnen worden gemeten in een metamateriaal.

Het team assembleerde arrays van microgolfresonatoren op centimeterschaal op een chip. "Elk van deze resonatoren speelt de rol van een atoom in een kristal en, vergelijkbaar met de energieniveaus van een atoom, heeft een specifieke frequentie waar het gemakkelijk energie absorbeert - in dit geval is de frequentie vergelijkbaar met die van een conventionele magnetron." zei hoofdauteur Kitt Peterson, een voormalig afgestudeerde student in de groep van Bahl.

De resonatoren zijn gerangschikt in vierkanten, herhalen over het metamateriaal. Het team nam defecten op door dit vierkante patroon te verstoren - ofwel door één resonator te verwijderen om een ​​driehoek te maken of door er een toe te voegen om een ​​vijfhoek te creëren. Omdat alle resonatoren met elkaar zijn verbonden, deze enkelvoudige disclinatie-defecten rimpelen uit, kromtrekken van de algehele vorm van het materiaal en zijn topologie.

Het team injecteerde microgolven in elke resonator van de array en registreerde de hoeveelheid absorptie. Vervolgens, ze hebben hun metingen wiskundig vertaald om te voorspellen hoe elektronen in een equivalent materiaal werken. Van dit, ze concludeerden dat fractionele ladingen zouden worden gevangen op disclinatiedefecten in zo'n kristal. Met verdere analyse, het team toonde ook aan dat ingesloten fractionele lading de aanwezigheid van bepaalde soorten topologie aangeeft.

"In deze kristallen, fractionele lading blijkt de meest fundamentele waarneembare signatuur te zijn van interessante onderliggende topologische kenmerken", zei Tianhe Li, een afgestudeerde theoretische natuurkundestudent in de onderzoeksgroep van Hughes en een co-auteur van het onderzoek.

Het direct waarnemen van fractionele ladingen blijft een uitdaging, maar metamaterialen bieden een alternatieve manier om theorieën te testen en te leren over het manipuleren van topologische vormen van materie. Volgens de onderzoekers is betrouwbare sondes voor topologie zijn ook van cruciaal belang voor het ontwikkelen van toekomstige toepassingen voor topologische kwantummaterialen.

Het verband tussen de topologie van een materiaal en zijn imperfecte geometrie is ook in grote lijnen interessant voor de theoretische natuurkunde. "Het ontwerpen van een perfect materiaal onthult niet noodzakelijkerwijs veel over echte materialen, "zegt Hughes. "Dus, het bestuderen van het verband tussen defecten, zoals die in deze studie, en topologische materie kan ons begrip van realistische materialen vergroten, met al hun inherente complexiteiten."