伊利诺伊大学香槟分校的卡梅拉·帕达维克-卡拉汉 由谐振器图案组成的超材料照片
该缺陷在电路元件的规则阵列中表现为五边形
信用:K
彼得森 现实世界的材料通常比教科书中理想化的场景更混乱
不完美会增加复杂性，甚至会限制材料的用途
为了解决这个问题，科学家们通常会努力彻底清除缺陷和污垢，将材料推向完美
现在，伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的研究人员已经扭转了这个问题，并表明对于某些材料来说，缺陷可以作为有趣物理的探针，而不是一个麻烦
该团队由高拉夫·巴赫尔教授和泰勒·休斯教授领导，研究人工材料或超材料，他们设计这些材料以包含缺陷
他们使用这些可定制的电路作为研究奇异拓扑晶体的代理，这种晶体通常不完美，难以合成，而且直接探测也是出了名的棘手
在1月20日出版的《自然》杂志上发表的一项新研究中，研究人员表明，缺陷和结构变形可以提供对真实材料隐藏的拓扑特征的洞察
“该领域的大多数研究都集中在具有完美内部结构的材料上
我们的团队想看看当我们解释不完美时会发生什么
我们惊讶地发现，我们实际上可以利用缺陷为自己谋利，”巴赫尔说，他是机械科学与工程系的副教授
在这种意想不到的帮助下，该团队创造了一种实用而系统的方法来探索非常规材料的拓扑结构
拓扑学是一种根据物体的整体形状，而不是其结构的每个小细节，对物体进行数学分类的方法
一个常见的例子是咖啡杯和百吉饼，它们有相同的布局，因为两个物体都只有一个洞，你可以用手指穿过
材料还可以具有与其原子结构和能级分类相关的拓扑特征
这些特征导致了不寻常但可能有用的电子行为
但是验证和利用拓扑效应可能很棘手，尤其是当一种材料是新的或者未知的时候
近年来，科学家已经使用超材料来研究拓扑学，其控制程度几乎是真实材料无法达到的
“我们小组开发了一个工具包，能够探测和确认拓扑结构，而无需对材料有任何先入为主的概念
休斯说，他是物理系的教授
“这给了我们一个新的窗口来理解材料的拓扑结构，以及我们应该如何测量它并通过实验来证实它
" 在早期发表在《科学》杂志上的一项研究中，该团队建立了一种新的技术来识别具有拓扑特征的绝缘体
他们的发现是基于将超材料的实验测量转化为电子电荷的语言
在这项新工作中，研究小组更进一步——他们利用材料结构中的缺陷来捕捉一个相当于真实材料中分数电荷的特征
在晶格缺陷处捕获的分数电荷的艺术描绘，根据作者，这是某种拓扑结构存在的信号
信用:E
爱德华兹 单个电子本身不能携带半个电荷或其他少量电荷
但是，碎片电荷可以出现在晶体中，许多电子在原子的舞厅中一起跳舞
这种互动的编排引发了奇怪的电子行为，否则是不允许的
分数电荷还没有在自然产生的或定制生长的晶体中测量过，但是这个团队表明类似的量可以在超材料中测量
该团队将厘米级微波谐振器阵列组装到一个芯片上
“这些谐振器中的每一个都扮演着晶体中原子的角色，与原子的能级类似，它们有一个特定的频率，很容易吸收能量——在这种情况下，频率类似于传统的微波炉
巴赫尔小组的前研究生、第一作者凯特·彼得森说
谐振器排列成正方形，在超材料上重复
该团队通过破坏这个正方形图案来弥补缺陷——要么移除一个谐振器形成三角形，要么增加一个谐振器形成五边形
由于所有谐振器都连接在一起，这些奇异的向错缺陷会产生波纹，扭曲材料的整体形状及其拓扑结构
研究小组将微波注入阵列的每个谐振器，并记录吸收量
然后，他们对测量结果进行数学转换，以预测电子在等效材料中的行为
由此，他们得出结论，这种晶体中的向错缺陷会捕获部分电荷
通过进一步的分析，研究小组还证明了俘获的分数电荷表明了某种拓扑的存在
休斯研究小组的理论物理研究生、该研究的合著者天河李说:“在这些晶体中，分数电荷被证明是有趣的底层拓扑特征的最基本的可观察信号。”
直接观察分数电荷仍然是一个挑战，但是超材料提供了一种测试理论和学习操纵物质拓扑形式的替代方法
研究人员称，可靠的拓扑探针对于开发拓扑量子材料的未来应用也至关重要
一种材料的拓扑和它的不完美几何之间的联系对于理论物理来说也是非常有趣的
休斯说:“设计一种完美的材料并不一定能揭示真实材料的很多信息。”
“因此，研究缺陷(如本研究中的缺陷)和拓扑物质之间的联系，可能会增加我们对现实材料及其所有内在复杂性的理解
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