Физики из разных стран разработали экспериментальный метод обнаружения топологических дефектов в материалах с низкой степенью упорядоченности. Этот подход позволит более детально изучить характеристики большого количества аморфных систем.
Аморфные материалы – это твердые вещества, в которых молекулы и атомы располагаются в случайном порядке, не формируя упорядоченных структур. Такая организация является наиболее распространенной формой существования вещества во Вселенной. К примерам аморфных материалов могут служить биологические клетки, стекло, полимеры, клей и гели.
«Кристаллические материалы имеют принципиально иную структуру, являясь противоположностью вышеупомянутым объектам. Их внутренняя организация характеризуется высокой степенью упорядоченности, что позволяет ученым описывать кристаллы с использованием математических моделей, поскольку они состоят из идентичных, бесконечно повторяющихся элементарных ячеек. Это утверждение в целом верно, однако при более детальном изучении кристаллы, особенно природные, обнаруживают множество дефектов. Нарушения в их внутренней структуре оказывают значительное влияние на свойства: цвет, способность к деформации, температуру плавления и характер прохождения электрического тока.
Для исследователей топологические дефекты представляют особый интерес. Вблизи точки топологического дефекта структура кристалла изменяется таким образом, что на некоторые физические характеристики материала оказывается значительное влияние изменяют значение после полного обхода вокруг дефекта.
В аморфных системах, например, в стекле или случайных сетях нейронных связей, топологические дефекты были впервые идентифицированы лишь в 2021 году. Однако до настоящего времени ученым не удавалось получить доказательства существования топологических дефектов в реальных аморфных материалах.
Международные физики выявили топологические дефекты в аморфном коллоидном стекле, сформированном в лабораторных условиях путем случайного смешивания магнитных коллоидных частиц. Для обнаружения дефектов ученые использовали специальные методы численного анализа, применяемые к обработке данных, полученных с помощью видеомикроскопии. Результаты опубликованы в журнале Nature Communications.
Аморфное вещество, используемое в эксперименте, представляло собой смесь полистирола и наночастиц оксида железа, стабилизированных с помощью додецилсульфата натрия ( sodium dodecyl sulfate), размещенных на идеально ровной поверхности. Исследователи помещали их в магнитное поле и снимали происходящее в аморфном веществе на камеру, данные с которой стали основой для анализа и поиска дефектов.
Исследователи считают, что экспериментальное подтверждение наличия топологических дефектов в неупорядоченных системах стало важной вехой в физике конденсированного состояния. Благодаря этому ученые теперь смогут точно контролировать физические свойства аморфных материалов и систем. Изучение аморфных систем позволит лучше понять множество сложноорганизованных объектов, от нервных систем живых существ до структуры космоса.