Photo d'un métamatériau composé d'un motif de résonateurs. Le défaut apparaît comme un pentagone dans un réseau par ailleurs régulier d'éléments de circuit. Crédit :K. Peterson
Les matériaux du monde réel sont généralement plus salissants 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 régulièrement d'éliminer complètement les défauts et la saleté, pousser les matériaux plus près de la perfection. Maintenant, des chercheurs de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign ont inversé ce problème et montré que pour certains matériaux, les défauts pouvaient servir de sonde pour une physique intéressante, plutôt qu'une nuisance.
L'équipe, dirigé par les professeurs Gaurav Bahl et Taylor Hughes, matériaux artificiels étudiés, ou métamatériaux, qu'ils ont conçu pour inclure les défauts. Ils ont utilisé ces circuits personnalisables comme proxy pour étudier les cristaux topologiques exotiques, qui sont souvent imparfaits, difficile à synthétiser, et notoirement difficile à sonder directement. Dans une nouvelle étude, publié dans le numéro du 20 janvier de La 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, " dit Bahl, professeur agrégé au Département de sciences mécaniques 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 les objets en fonction de leur forme globale, plutôt que chaque petit détail de leur structure. Une illustration courante de ceci est une tasse de café et un bagel, qui ont la même topologie car 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 mais peut-être utile, comportements électroniques. Mais vérifier et exploiter les effets topologiques peut être délicat, surtout si un matériau est nouveau ou inconnu. Dans les années récentes, les scientifiques ont utilisé des métamatériaux pour étudier la topologie avec un niveau de contrôle presque impossible à atteindre avec des matériaux réels.
"Notre groupe a développé une boîte à outils pour pouvoir sonder et confirmer la topologie sans avoir d'idées préconçues sur un matériau." dit Hugues, qui est professeur au Département de physique. "Cela nous a donné une nouvelle fenêtre pour comprendre la topologie des matériaux, et comment nous devrions le mesurer et le confirmer expérimentalement."
Dans une étude antérieure publiée dans Science , l'équipe a mis au point une nouvelle technique pour identifier les isolants avec des caractéristiques topologiques. Leurs découvertes étaient basées 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 équivalente à des charges fractionnaires dans des matériaux réels.
Représentation artistique d'une charge fractionnaire piégée dans un défaut de réseau, lequel, selon les auteurs, signale la présence de certains types de topologie. Crédit :E. Edwards
Un seul électron ne peut pas à lui seul porter une demi-charge ou une autre fraction. Mais, des charges fragmentées peuvent apparaître dans les cristaux, où de nombreux électrons dansent ensemble dans une salle de bal d'atomes. Cette chorégraphie d'interactions induit des comportements électroniques étranges qui sont autrement interdits. Les charges fractionnaires n'ont pas été mesurées dans les 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 centimétrique 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, répéter à travers le métamatériau. L'équipe a inclus des défauts en perturbant ce motif carré, soit en supprimant un résonateur pour former un triangle, soit en en ajoutant un pour créer un pentagone. Puisque tous les résonateurs sont connectés ensemble, ces défauts de désorientation singuliers se répercutent, déformer 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. Puis, ils ont traduit mathématiquement leurs mesures pour prédire comment les électrons agissent dans un matériau équivalent. De là, ils ont conclu que des charges fractionnaires seraient piégées sur les défauts de désinclinaison dans un tel cristal. Avec une analyse plus poussée, 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, un étudiant diplômé en physique théorique dans le groupe de recherche de Hughes et un co-auteur de l'étude.
L'observation directe des charges fractionnaires reste un défi, mais les métamatériaux offrent un moyen alternatif de tester des 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. " L'ingénierie d'un matériau parfait ne révèle pas nécessairement grand-chose sur les matériaux réels, " dit 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."
