I materiali del mondo reale sono solitamente più disordinati degli scenari idealizzati trovati nei libri di testo. Le imperfezioni possono aggiungere complicazioni e persino limitare l'utilità di un materiale. Per aggirare questo, gli scienziati si sforzano abitualmente di rimuovere completamente i difetti e lo sporco, spingendo i materiali più vicini alla perfezione. Ora, i ricercatori dell'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign hanno ribaltato questo problema e hanno dimostrato che per alcuni materiali i difetti potrebbero fungere da sonda per la fisica interessante, piuttosto che un fastidio.

Il gruppo, guidato dai professori Gaurav Bahl e Taylor Hughes, materiali artificiali studiati, o metamateriali, che hanno progettato per includere i difetti. Hanno usato questi circuiti personalizzabili come proxy per studiare cristalli topologici esotici, che sono spesso imperfetti, difficile da sintetizzare, e notoriamente difficile da sondare direttamente. In un nuovo studio, pubblicato nel numero del 20 gennaio di Natura , i ricercatori hanno dimostrato che i difetti e le deformazioni strutturali possono fornire informazioni sulle caratteristiche topologiche nascoste di un materiale reale.

"La maggior parte degli studi in questo campo si è concentrata su materiali con una struttura interna perfetta. Il nostro team voleva vedere cosa succede quando teniamo conto delle imperfezioni. Siamo rimasti sorpresi nello scoprire che potremmo effettivamente utilizzare i difetti a nostro vantaggio, " disse Bahl, professore associato presso il Dipartimento di Scienze e Ingegneria Meccanica. Con quell'aiuto inaspettato, il team ha creato un approccio pratico e sistematico per esplorare la topologia dei materiali non convenzionali.

La topologia è un modo di classificare matematicamente gli oggetti in base alla loro forma complessiva, piuttosto che ogni piccolo dettaglio della loro struttura. Un esempio comune di questo è una tazza da caffè e un bagel, che hanno la stessa topologia perché entrambi gli oggetti hanno un solo foro in cui puoi avvolgere le dita.

I materiali possono anche avere caratteristiche topologiche legate alla classificazione della loro struttura atomica e dei livelli energetici. Queste caratteristiche portano a insolite, ma forse utile, comportamenti degli elettroni. Ma verificare e sfruttare gli effetti topologici può essere complicato, soprattutto se un materiale è nuovo o sconosciuto. Negli ultimi anni, gli scienziati hanno utilizzato i metamateriali per studiare la topologia con un livello di controllo quasi impossibile da ottenere con materiali reali.

"Il nostro gruppo ha sviluppato un toolkit per essere in grado di sondare e confermare la topologia senza avere nozioni preconcette su un materiale". dice Hughes, che è professore presso il Dipartimento di Fisica. "Questo ci ha aperto una nuova finestra sulla comprensione della topologia dei materiali, e come dovremmo misurarlo e confermarlo sperimentalmente."

In un precedente studio pubblicato su Scienza , il team ha stabilito una nuova tecnica per identificare gli isolanti con caratteristiche topologiche. Le loro scoperte si basavano sulla traduzione di misurazioni sperimentali effettuate su metamateriali nel linguaggio della carica elettronica. In questo nuovo lavoro, il team ha fatto un ulteriore passo avanti:ha utilizzato un'imperfezione nella struttura del materiale per intrappolare una caratteristica equivalente alle cariche frazionarie nei materiali reali.

Un singolo elettrone da solo non può trasportare mezza carica o qualche altra quantità frazionaria. Ma, cariche frammentate possono apparire all'interno dei cristalli, dove molti elettroni danzano insieme in una sala da ballo di atomi. Questa coreografia di interazioni induce strani comportamenti elettronici altrimenti vietati. Le cariche frazionarie non sono state misurate né nei cristalli naturali né in quelli coltivati ​​su misura, ma questa squadra ha mostrato che quantità analoghe possono essere misurate in un metamateriale.

Il team ha assemblato matrici di risonatori a microonde su scala centimetrica su un chip. "Ciascuno di questi risonatori svolge il ruolo di un atomo in un cristallo e, simile ai livelli di energia di un atomo, ha una frequenza specifica in cui assorbe facilmente energia, in questo caso la frequenza è simile a quella di un forno a microonde convenzionale", ha affermato l'autore principale Kitt Peterson, un ex studente laureato nel gruppo di Bahl.

I risonatori sono disposti in quadrati, ripetersi attraverso il metamateriale. Il team ha incluso i difetti interrompendo questo schema quadrato, rimuovendo un risonatore per creare un triangolo o aggiungendone uno per creare un pentagono. Poiché tutti i risonatori sono collegati tra loro, questi singolari difetti di declinazione si increspano, deformando la forma complessiva del materiale e la sua topologia.

Il team ha iniettato microonde in ciascun risonatore dell'array e ha registrato la quantità di assorbimento. Quindi, hanno tradotto matematicamente le loro misurazioni per prevedere come agiscono gli elettroni in un materiale equivalente. Da questa, hanno concluso che le cariche frazionarie sarebbero state intrappolate sui difetti di declinazione in un tale cristallo. Con ulteriori analisi, il team ha anche dimostrato che la carica frazionaria intrappolata segnala la presenza di certi tipi di topologia.

"In questi cristalli, la carica frazionaria risulta essere la firma osservabile più fondamentale di interessanti caratteristiche topologiche sottostanti" ha affermato Tianhe Li, uno studente laureato in fisica teorica nel gruppo di ricerca di Hughes e coautore dello studio.

L'osservazione diretta delle spese frazionarie rimane una sfida, ma i metamateriali offrono un modo alternativo per testare le teorie e imparare a manipolare le forme topologiche della materia. Secondo i ricercatori, le sonde affidabili per la topologia sono anche fondamentali per lo sviluppo di applicazioni future per materiali quantistici topologici.

La connessione tra la topologia di un materiale e la sua geometria imperfetta è anche ampiamente interessante per la fisica teorica. "Progettare un materiale perfetto non rivela necessariamente molto sui materiali reali, "dice Hughes. "Così, studiare la connessione tra i difetti, come quelli in questo studio, e la materia topologica può aumentare la nostra comprensione dei materiali realistici, con tutte le loro complessità intrinseche".