摘要：拓扑缺陷是场中无法通过连续变换消除的奇点，是自然界中普遍存在的特征，出现在从宇宙学到固态物理和生物学的各种背景中。然而，它们在像玻璃这样的无序系统中的存在一直是几十年来争论的主题，因为缺陷的定义依赖于明确定义的有序参考构型。最近的理论进展提出，拓扑缺陷可以出现
拓扑缺陷是场中无法通过连续变换消除的奇点，是自然界中普遍存在的特征，出现在从宇宙学到固态物理和生物学的各种背景中。然而，它们在像玻璃这样的无序系统中的存在一直是几十年来争论的主题，因为缺陷的定义依赖于明确定义的有序参考构型。最近的理论进展提出，拓扑缺陷可以出现在玻璃的动力学特性中，即使它们在静态结构中不明显，这可能成为理解其塑性行为的关键。
最近发表在《自然·通讯》上的一项研究首次提供了在二维（2D）胶体玻璃中存在这些拓扑缺陷的实验证据。通过分析胶体玻璃的振动本征空间，研究人员识别出了拓扑缺陷，并建立了这些缺陷与玻璃振动特征之间的强相关性。
拓扑缺陷是场中对小扰动稳定的不规则性。它们的特征是拓扑荷，这是一个无法通过场的连续变形来改变的量。在有序系统中，例如晶体，拓扑缺陷很容易被视为规则晶格结构中的中断。例如，在二维六边形晶格中，可以通过插入额外的半行原子来产生位错，从而导致一对五重和七重配位的粒子。
在像玻璃这样的无序系统中，由于缺乏长程有序性，因此难以用相同的方式定义拓扑缺陷。然而，最近的理论工作表明，仍然可以根据玻璃的振动特性来定义拓扑缺陷。这些存在于系统振动本征空间中的缺陷可以被认为是振动模式场中的奇点。
本研究中使用的实验系统是二维胶体玻璃，由限制在空气-水界面上的单层磁性胶体粒子组成。粒子通过排斥的磁偶极相互作用，并且通过快速增加粒子密度将系统淬火成玻璃态。
研究人员使用视频显微镜跟踪粒子的位置并测量它们随时间的位移。这使他们能够构建Hessian矩阵，该矩阵描述了势能面的局部曲率并决定了系统的振动特性。通过分析Hessian矩阵的特征向量（代表系统的振动模式），研究人员能够识别出振动本征空间中的拓扑缺陷。
拓扑缺陷的实验识别：研究人员成功地识别出了二维胶体玻璃振动本征空间中的拓扑缺陷。这些缺陷的特征是拓扑荷，发现该拓扑荷与局部结构环境相关。与振动特征的相关性：该研究发现拓扑缺陷与玻璃的振动特征之间存在很强的相关性。具体而言，拓扑缺陷的存在与过量的低频振动模式相关，已知这些模式对于玻璃中的塑性变形很重要。与软点的空间相关性：发现拓扑缺陷在空间上彼此相关，并且与玻璃中的结构“软点”（更容易发生塑性流动的区域）相关。这表明拓扑缺陷可能在玻璃的力学行为中起关键作用。这项研究首次提供了在二维胶体玻璃的振动本征空间中存在拓扑缺陷的实验证据。这些发现对我们理解玻璃的动力学和力学行为具有重要意义。拓扑缺陷与软点之间的相关性表明，这些缺陷可能充当塑性变形的成核位点，可能解释了玻璃系统中拓扑、无序和动力学之间复杂的相互作用。
未来的研究可以探索拓扑缺陷在其他类型的无序系统（例如颗粒材料和非晶固体）中的作用。研究这些缺陷如何在外部应力下演化以及它们如何影响这些材料的宏观力学性能也将很有意义。
来源：万象经验
