Os materiais do mundo real geralmente são mais confusos do que os cenários idealizados encontrados nos livros didáticos. As imperfeições podem adicionar complicações e até limitar a utilidade de um material. Para contornar isso, cientistas se esforçam rotineiramente para remover defeitos e sujeira inteiramente, levando os materiais mais perto da perfeição. Agora, pesquisadores da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign viraram esse problema e mostraram que, para alguns materiais, defeitos podem atuar como uma sonda para física interessante, em vez de um incômodo.

O time, liderado pelos professores Gaurav Bahl e Taylor Hughes, estudou materiais artificiais, ou metamateriais, que eles projetaram para incluir defeitos. Eles usaram esses circuitos personalizáveis ​​como um proxy para estudar cristais topológicos exóticos, que muitas vezes são imperfeitos, difícil de sintetizar, e notoriamente difícil de sondar diretamente. Em um novo estudo, publicado na edição de 20 de janeiro da Natureza , os pesquisadores mostraram que defeitos e deformações estruturais podem fornecer insights sobre as características topológicas ocultas de um material real.

“A maioria dos estudos nessa área tem se concentrado em materiais com estrutura interna perfeita. Nossa equipe queria ver o que acontece quando contabilizamos as imperfeições. Ficamos surpresos ao descobrir que poderíamos realmente usar os defeitos a nosso favor, "disse Bahl, professor associado do Departamento de Ciência Mecânica e Engenharia. Com aquela ajuda inesperada, a equipe criou uma abordagem prática e sistemática para explorar a topologia de materiais não convencionais.

A topologia é uma forma de classificar matematicamente os objetos de acordo com sua forma geral, em vez de cada pequeno detalhe de sua estrutura. Uma ilustração comum disso é uma caneca de café e um bagel, que têm a mesma topologia porque ambos os objetos têm apenas um orifício pelo qual você pode enfiar os dedos.

Os materiais também podem ter características topológicas relacionadas à classificação de sua estrutura atômica e níveis de energia. Esses recursos levam a incomuns, ainda possivelmente útil, comportamentos de elétrons. Mas verificar e controlar os efeitos topológicos pode ser complicado, especialmente se um material é novo ou desconhecido. Nos últimos anos, os cientistas usaram metamateriais para estudar a topologia com um nível de controle que é quase impossível de alcançar com materiais reais.

"Nosso grupo desenvolveu um kit de ferramentas para ser capaz de sondar e confirmar a topologia sem ter quaisquer noções preconcebidas sobre um material." diz Hughes, que é professor do Departamento de Física. "Isso nos deu uma nova janela para a compreensão da topologia dos materiais, e como devemos medi-lo e confirmá-lo experimentalmente. "

Em um estudo anterior publicado em Ciência , a equipe estabeleceu uma nova técnica para identificar isoladores com características topológicas. Suas descobertas foram baseadas na tradução de medições experimentais feitas em metamateriais para a linguagem da carga eletrônica. Neste novo trabalho, a equipe deu um passo além - eles usaram uma imperfeição na estrutura do material para capturar um recurso que é equivalente a cargas fracionárias em materiais reais.

Um único elétron por si só não pode carregar meia carga ou alguma outra quantidade fracionária. Mas, cargas fragmentadas podem aparecer dentro dos cristais, onde muitos elétrons dançam juntos em um salão de baile de átomos. Essa coreografia de interações induz comportamentos eletrônicos estranhos que, de outra forma, não são permitidos. Cargas fracionárias não foram medidas em cristais de ocorrência natural ou personalizados, mas esta equipe mostrou que quantidades análogas podem ser medidas em um metamaterial.

A equipe montou matrizes de ressonadores de micro-ondas em escala centimétrica em um chip. "Cada um desses ressonadores desempenha o papel de um átomo em um cristal e, semelhante aos níveis de energia de um átomo, tem uma frequência específica onde absorve facilmente energia - neste caso, a frequência é semelhante à de um forno de micro-ondas convencional ", disse o autor principal Kitt Peterson, um ex-aluno de pós-graduação do grupo de Bahl.

Os ressonadores são organizados em quadrados, repetindo em todo o metamaterial. A equipe incluiu defeitos interrompendo esse padrão quadrado - removendo um ressonador para fazer um triângulo ou adicionando um para criar um pentágono. Uma vez que todos os ressonadores estão conectados, esses defeitos de revelação singulares se propagam, distorcer a forma geral do material e sua topologia.

A equipe injetou microondas em cada ressonador da matriz e registrou a quantidade de absorção. Então, eles traduziram matematicamente suas medições para prever como os elétrons agem em um material equivalente. A partir disso, eles concluíram que cargas fracionárias ficariam presas em defeitos de revelação em tal cristal. Com uma análise mais aprofundada, a equipe também demonstrou que a carga fracionária capturada sinaliza a presença de certos tipos de topologia.

"Nestes cristais, carga fracionária acaba sendo a assinatura observável mais fundamental de interessantes características topológicas subjacentes ", disse Tianhe Li, um estudante de graduação em física teórica no grupo de pesquisa de Hughes e um co-autor do estudo.

Observar as cargas fracionárias diretamente continua sendo um desafio, mas os metamateriais oferecem uma maneira alternativa de testar teorias e aprender sobre a manipulação de formas topológicas da matéria. De acordo com os pesquisadores, sondas confiáveis ​​para topologia também são críticas para o desenvolvimento de aplicações futuras para materiais quânticos topológicos.

A conexão entre a topologia de um material e sua geometria imperfeita também é amplamente interessante para a física teórica. "Projetar um material perfeito não revela necessariamente muito sobre materiais reais, "diz Hughes." Assim, estudando a conexão entre defeitos, como os deste estudo, e a questão topológica pode aumentar nossa compreensão de materiais realistas, com todas as suas complexidades inerentes. "