Des défauts peuvent aider les scientifiques à comprendre la physique exotique de la topologie – Technoguide

Les matériaux du monde réel sont généralement plus désordonnés que les scénarios idéalisés trouvés dans les manuels. Les imperfections peuvent ajouter des complications et même limiter l’utilité d’un matériau. Pour contourner cela, les scientifiques s’efforcent systématiquement d’éliminer entièrement les défauts et la saleté, rapprochant les matériaux de la perfection. Maintenant, des chercheurs de l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign ont renversé ce problème et montré que pour certains matériaux, les défauts pourraient servir de sonde pour une physique intéressante, plutôt que comme une nuisance.

L’équipe, dirigée par les professeurs Gaurav Bahl et Taylor Hughes, a étudié les matériaux artificiels, ou métamatériaux, qu’ils ont conçus pour inclure les défauts. L’équipe a utilisé ces circuits personnalisables comme proxy pour étudier les cristaux topologiques exotiques, souvent imparfaits, difficiles à synthétiser et notoirement difficiles à sonder directement. Dans une nouvelle étude, publiée dans le numéro du 20 janvier de Nature, les chercheurs ont montré que les défauts et les déformations structurelles peuvent fournir des informations sur les caractéristiques topologiques cachées d’un matériau réel.

«La plupart des études dans ce domaine se sont concentrées sur des matériaux à structure interne parfaite. Notre équipe voulait voir ce qui se passe lorsque nous tenons compte des imperfections. Nous avons été surpris de découvrir que nous pouvions en fait utiliser les défauts à notre avantage», a déclaré Bahl, professeur associé. au Département de science mécanique et de génie. Avec cette aide inattendue, l’équipe a créé une approche pratique et systématique pour explorer la topologie des matériaux non conventionnels.

La topologie est un moyen de classer mathématiquement des objets en fonction de leur forme générale, plutôt que de chaque petit détail de leur structure. Une illustration courante de ceci est une tasse de café et un bagel, qui ont la même topologie parce que les deux objets n’ont qu’un seul trou dans lequel vous pouvez passer vos doigts.

Les matériaux peuvent également avoir des caractéristiques topologiques liées à la classification de leur structure atomique et de leurs niveaux d’énergie. Ces caractéristiques conduisent à des comportements d’électrons inhabituels, mais peut-être utiles. Mais vérifier et exploiter les effets topologiques peut être délicat, surtout si un matériau est nouveau ou inconnu. Ces dernières années, les scientifiques ont utilisé des métamatériaux pour étudier la topologie avec un niveau de contrôle quasiment impossible à atteindre avec des matériaux réels.

“Notre groupe a développé une boîte à outils pour être en mesure de sonder et de confirmer la topologie sans avoir aucune idée préconçue sur un matériau.” dit Hughes, qui est professeur au Département de physique. «Cela nous a donné une nouvelle fenêtre sur la compréhension de la topologie des matériaux, et sur la façon dont nous devrions la mesurer et la confirmer expérimentalement».

Dans une étude antérieure publiée dans Science, l’équipe a mis au point une nouvelle technique pour identifier les isolants présentant des caractéristiques topologiques. Leurs résultats étaient basés sur la traduction de mesures expérimentales effectuées sur des métamatériaux dans le langage de la charge électronique. Dans ce nouveau travail, l’équipe est allée plus loin: elle a utilisé une imperfection dans la structure du matériau pour piéger une caractéristique qui équivaut à des charges fractionnaires dans des matériaux réels.

Un seul électron ne peut à lui seul porter une demi-charge ou une autre quantité fractionnaire. Mais des charges fragmentées peuvent apparaître dans les cristaux, où de nombreux électrons dansent ensemble dans une salle de bal d’atomes. Cette chorégraphie des interactions induit des comportements électroniques étranges qui sont autrement interdits. Les charges fractionnelles n’ont pas été mesurées dans des cristaux naturels ou cultivés sur mesure, mais cette équipe a montré que des quantités analogues peuvent être mesurées dans un métamatériau.

L’équipe a assemblé des réseaux de résonateurs micro-ondes à l’échelle du centimètre sur une puce. “Chacun de ces résonateurs joue le rôle d’un atome dans un cristal et, semblable aux niveaux d’énergie d’un atome, a une fréquence spécifique où il absorbe facilement l’énergie – dans ce cas, la fréquence est similaire à celle d’un four à micro-ondes conventionnel.” a déclaré l’auteur principal Kitt Peterson, un ancien étudiant diplômé du groupe de Bahl.

Les résonateurs sont disposés en carrés, se répétant à travers le métamatériau. L’équipe a inclus les défauts en perturbant ce motif carré – soit en supprimant un résonateur pour créer un triangle, soit en en ajoutant un pour créer un pentagone. Étant donné que tous les résonateurs sont connectés ensemble, ces défauts de divulgation singuliers ondulent, déformant la forme générale du matériau et sa topologie.

L’équipe a injecté des micro-ondes dans chaque résonateur du réseau et enregistré la quantité d’absorption. Ensuite, ils ont traduit mathématiquement leurs mesures pour prédire comment les électrons agissent dans un matériau équivalent. À partir de là, ils ont conclu que des charges fractionnaires seraient piégées sur des défauts de divulgation dans un tel cristal. Avec une analyse plus approfondie, l’équipe a également démontré que la charge fractionnelle piégée signale la présence de certains types de topologie.

«Dans ces cristaux, la charge fractionnaire s’avère être la signature observable la plus fondamentale des caractéristiques topologiques sous-jacentes intéressantes», a déclaré Tianhe Li, étudiant diplômé en physique théorique dans le groupe de recherche de Hughes et co-auteur de l’étude.

L’observation directe des charges fractionnaires reste un défi, mais les métamatériaux offrent un moyen alternatif de tester les théories et d’apprendre à manipuler les formes topologiques de la matière. Selon les chercheurs, des sondes fiables pour la topologie sont également essentielles pour le développement d’applications futures pour les matériaux quantiques topologiques.

Le lien entre la topologie d’un matériau et sa géométrie imparfaite est également largement intéressant pour la physique théorique. «La conception d’un matériau parfait ne révèle pas nécessairement grand-chose sur les matériaux réels», déclare Hughes. “Ainsi, étudier le lien entre les défauts, comme ceux de cette étude, et la matière topologique peut augmenter notre compréhension des matériaux réalistes, avec toutes leurs complexités inhérentes.”

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