現實世界的材料通常比教科書中理想的場景更混亂。不完美會增加複雜性，甚至限制材料的用途。為了解決這個問題，科學家們經常努力徹底清除缺陷和汙垢，使材料更接近完美。現在，伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校(University of Illinois at Urbana-Champaign)的研究人員扭轉了這個問題，他們發現，對於某些材料來說，缺陷可以充當有趣物理學的探針，而不是一種麻煩。

由高拉夫·巴爾(Gaurav Bahl)和泰勒·休斯(Taylor Hughes)教授領導的研究小組研究了人工材料或超材料，他們將其設計成包含缺陷的材料。他們用這些可定製的電路作為研究奇異拓撲晶體的替代物，這些晶體往往不完美，難以合成，而且難以直接探測。在1月20日發表在《自然》雜誌上的一項新研究中，研究人員表示，缺陷和結構變形可以讓我們瞭解真實材料隱藏的拓撲特徵。

“這一領域的研究大多集中在具有完美內部結構的材料上。我們的團隊想看看當我們解釋缺陷時會發生什麼。我們驚訝地發現，我們實際上可以利用缺陷來發揮自己的優勢。”在這種意想不到的幫助下，該團隊創造了一種實用的、系統的方法來探索非常規材料的拓撲結構。

拓撲學是一種根據物體的整體形狀，而不是結構的每一個小細節，對物體進行數學分類的方法。一個常見的例子是咖啡杯和百吉餅，它們有相同的拓撲結構，因為這兩個物體都只有一個孔，你可以用手指穿過。

材料還可以具有與其原子結構和能級分類有關的拓撲特徵。這些特徵導致了不尋常但可能有用的電子行為。但是，驗證和利用拓撲效應可能很棘手，特別是當材料是新的或未知的時候。近年來，科學家們利用超材料來研究拓撲結構，其控制水平幾乎是用真實材料無法達到的。

休斯是物理系的教授，他說:“我們的團隊開發了一個工具包，能夠探測和確認拓撲結構，而無需對材料有任何先進性的概念。”“這為我們瞭解材料的拓撲結構，以及我們應該如何測量和透過實驗確認它提供了一個新的視窗。”

在早些時候發表在《科學》雜誌上的一項研究中，該團隊建立了一種新的技術來識別具有拓撲特徵的絕緣體。他們的發現是基於對超材料的實驗測量結果轉化為電子電荷的語言。在這項新工作中，研究小組更進一步——他們利用材料結構上的缺陷捕獲了一個特性，這個特性相當於真實材料中的部分電荷。

單個電子本身不能攜帶半個電荷或其他一些小數電荷。但是，在晶體中會出現電荷碎片，許多電子在原子舞廳中一起跳舞。這種相互作用的編排導致了一些奇怪的電子行為，而這在其他情況下是不被允許的。在自然發生的或自定義生長的晶體中，分數電荷還沒有被測量，但這個團隊表明，類似的數量可以在超材料中測量。

該團隊將釐米尺度的微波諧振器陣列組裝到一塊晶片上。”每一個諧振器的角色一個原子在晶體,類似於一個原子的能量水平,都有一個特定的頻率,容易吸收該市這種情況下的頻率相似,傳統的微波爐。”作者小貓彼得森說,研究生在巴爾的小組。

諧振器排列成正方形，在超材料上重複。該團隊發現了透過破壞方形圖案而產生的缺陷——要麼去掉一個諧振器形成三角形，要麼增加一個諧振器形成五邊形。由於所有的諧振器都連線在一起，這些奇異的視錯缺陷就會產生波紋，扭曲了材料的整體形狀和拓撲結構。

研究小組向陣列的每個諧振器注入微波，並記錄吸收量。然後，他們用數學方法轉換測量結果，以預測電子在等效物質中的作用。由此，他們得出結論，在這樣的晶體中，部分電荷會被束縛在偏光缺陷上。透過進一步的分析，該團隊還證明了被捕獲的分數電荷是某些拓撲結構存在的訊號。

“在這些晶體中，分數電荷被證明是有趣的潛在拓撲特徵的最基本的可觀察特徵”，休斯研究小組的理論物理研究生、該研究的合著者李天河說。

直接觀察部分電荷仍然是一個挑戰，但超材料提供了另一種方法來測試理論和學習如何操縱物質的拓撲形式。根據研究人員的說法，可靠的拓撲探針對於發展拓撲量子材料的未來應用也至關重要。

材料的拓撲結構和它的不完美幾何結構之間的聯絡在理論物理中也很有趣。休斯說:“設計一種完美的材料並不一定能揭示真實材料的很多資訊。”“因此，研究缺陷和拓撲物質之間的聯絡，比如本研究中的缺陷，可以增加我們對現實材料及其內在複雜性的理解。”