Foto de un metamaterial compuesto por un patrón de resonadores. El defecto aparece como un pentágono en una matriz regular de elementos del circuito. Crédito:K. Peterson
Los materiales del mundo real suelen ser más desordenados que los escenarios idealizados que se encuentran en los libros de texto. Las imperfecciones pueden agregar complicaciones e incluso limitar la utilidad de un material. Para evitar esto Los científicos se esfuerzan habitualmente por eliminar los defectos y la suciedad por completo, acercando los materiales a la perfección. Ahora, Investigadores de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign han dado la vuelta a este problema y han demostrado que, para algunos materiales, los defectos podrían actuar como una prueba de física interesante. en lugar de una molestia.
El equipo, dirigido por los profesores Gaurav Bahl y Taylor Hughes, estudió materiales artificiales, o metamateriales, que diseñaron para incluir defectos. Utilizaron estos circuitos personalizables como proxy para estudiar cristales topológicos exóticos, que a menudo son imperfectos, difícil de sintetizar, y notoriamente difícil de sondear directamente. En un nuevo estudio, publicado en la edición del 20 de enero de Naturaleza , Los investigadores demostraron que los defectos y las deformaciones estructurales pueden proporcionar información sobre las características topológicas ocultas de un material real.
"La mayoría de los estudios en este campo se han centrado en materiales con una estructura interna perfecta. Nuestro equipo quería ver qué sucede cuando tenemos en cuenta las imperfecciones. Nos sorprendió descubrir que en realidad podíamos utilizar los defectos en nuestro beneficio, "dijo Bahl, profesor asociado en el Departamento de Ciencia e Ingeniería Mecánica. Con esa ayuda inesperada, el equipo ha creado un enfoque práctico y sistemático para explorar la topología de materiales no convencionales.
La topología es una forma de clasificar matemáticamente los objetos de acuerdo con su forma general, en lugar de cada pequeño detalle de su estructura. Una ilustración común de esto es una taza de café y un bagel, que tienen la misma topología porque ambos objetos tienen un solo orificio por el que puede pasar los dedos.
Los materiales también pueden tener características topológicas relacionadas con la clasificación de su estructura atómica y niveles de energía. Estas características conducen a inusuales, pero posiblemente útil, comportamientos de los electrones. Pero verificar y aprovechar los efectos topológicos puede ser complicado, especialmente si un material es nuevo o desconocido. En años recientes, Los científicos han utilizado metamateriales para estudiar la topología con un nivel de control que es casi imposible de lograr con materiales reales.
"Nuestro grupo desarrolló un conjunto de herramientas para poder sondear y confirmar la topología sin tener nociones preconcebidas sobre un material". dice Hughes, quien es profesor en el Departamento de Física. "Esto nos ha brindado una nueva ventana para comprender la topología de los materiales, y cómo debemos medirlo y confirmarlo experimentalmente ".
En un estudio anterior publicado en Ciencias , el equipo estableció una técnica novedosa para identificar aisladores con características topológicas. Sus hallazgos se basaron en la traducción de medidas experimentales realizadas con metamateriales al lenguaje de la carga electrónica. En este nuevo trabajo, el equipo fue un paso más allá:utilizaron una imperfección en la estructura del material para atrapar una característica que es equivalente a cargas fraccionarias en materiales reales.
Representación artística de una carga fraccional atrapada en un defecto de celosía, cuales, según los autores, señala la presencia de ciertos tipos de topología. Crédito:E. Edwards
Un solo electrón por sí solo no puede llevar la mitad de una carga o alguna otra cantidad fraccionaria. Pero, Las cargas fragmentadas pueden aparecer dentro de los cristales, donde muchos electrones bailan juntos en un salón de baile de átomos. Esta coreografía de interacciones induce comportamientos electrónicos extraños que de otro modo no se permitirían. Las cargas fraccionarias no se han medido ni en cristales naturales ni en cristales personalizados, pero este equipo demostró que se pueden medir cantidades análogas en un metamaterial.
El equipo ensambló matrices de resonadores de microondas de escala centimétrica en un chip. "Cada uno de estos resonadores desempeña el papel de un átomo en un cristal y, similar a los niveles de energía de un átomo, tiene una frecuencia específica en la que absorbe energía fácilmente; en este caso, la frecuencia es similar a la de un horno de microondas convencional ", dijo el autor principal, Kitt Peterson, un ex estudiante de posgrado en el grupo de Bahl.
Los resonadores están dispuestos en cuadrados, repitiendo a través del metamaterial. El equipo incluyó defectos al interrumpir este patrón cuadrado, ya sea quitando un resonador para hacer un triángulo o agregando uno para crear un pentágono. Dado que todos los resonadores están conectados entre sí, estos singulares defectos de disclinación se extienden, deformando la forma general del material y su topología.
El equipo inyectó microondas en cada resonador de la matriz y registró la cantidad de absorción. Luego, tradujeron matemáticamente sus medidas para predecir cómo actúan los electrones en un material equivalente. De esto, Llegaron a la conclusión de que las cargas fraccionarias quedarían atrapadas en los defectos de declinación de dicho cristal. Con un análisis más detallado, el equipo también demostró que la carga fraccional atrapada indica la presencia de ciertos tipos de topología.
"En estos cristales, la carga fraccional resulta ser la firma observable más fundamental de características topológicas subyacentes interesantes ", dijo Tianhe Li, estudiante de posgrado en física teórica en el grupo de investigación de Hughes y coautor del estudio.
La observación directa de cargas fraccionarias sigue siendo un desafío, pero los metamateriales ofrecen una forma alternativa de probar teorías y aprender a manipular formas topológicas de la materia. Según los investigadores, Las sondas fiables para topología también son fundamentales para el desarrollo de futuras aplicaciones de materiales cuánticos topológicos.
La conexión entre la topología de un material y su geometría imperfecta también es muy interesante para la física teórica. "La ingeniería de un material perfecto no necesariamente revela mucho sobre los materiales reales, "dice Hughes." Por lo tanto, estudiar la conexión entre defectos, como los de este estudio, y la materia topológica puede aumentar nuestra comprensión de materiales realistas, con todas sus complejidades inherentes ".
