Физики впервые экспериментально пронаблюдали топологические дефекты в стекле

Аморфный материал — это твердое вещество, молекулы и атомы которого образуют хаотические структуры, то есть не занимают строго определенные позиции в пространстве. Аморфное состояние — самая распространенная форма организации видимого вещества во Вселенной. Биологические клетки, стекла, полимерные материалы, клей и гели находятся в аморфном состоянии.

«Противоположны» таким объектам по строению кристаллические материалы. Их внутренняя организационная структура настолько упорядочена, что ученые могут описать кристалл математически, потому что он состоит из одинаковых, бесконечно повторяющихся элементарных ячеек. В целом это действительно так, однако при внимательном рассмотрении кристаллы, особенно природные, полны дефектов. Нарушения внутренней структуры кристаллов во многом определяют их свойства: цвет, способность к деформации, температуру плавления и способ распространения электрического тока.

Топологические дефекты особенно важны для ученых. Вокруг точки топологического дефекта нарушение структуры кристалла таково, что некоторые физические параметры материала сильно изменяют значение после полного обхода вокруг дефекта.

В аморфных системах, таких как стекло или случайная сеть нейронных связей, топологические дефекты впервые обнаружили только в 2021 году. Но до сих пор ученые не могли получить доказательства существования топологических дефектов в реальных аморфных материалах.

Международная команда физиков смогла идентифицировать топологические дефекты в аморфном коллоидном стекле, созданном в лаборатории путем случайного объединения магнитных коллоидных частиц. Исследователи нашли дефекты благодаря специальным методам численного анализа, примененным к обработке экспериментальных данных видеомикроскопии. Результаты опубликованы в журнале Nature Communications.

Аморфное вещество в эксперименте состояло из полистирола и наночастиц оксида железа, стабилизированных в додецилсульфате натрия (sodium dodecyl sulfate), помещенных на атомарно плоскую поверхность. Ученые помещали их в магнитное поле и снимали происходящее в аморфном веществе на камеру, данные с которой стали основой для анализа и поиска дефектов.

По мнению исследователей, экспериментальная демонстрация существования топологических дефектов в неупорядоченных системах — поворотный момент в физике конденсированного состояния. Теперь ученые 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.