科学家通过搜索发现数千种独特的“拓扑”材料

热门的拓扑物理学领域正呈现爆炸性的发展。《自然》杂志8月8日报道,研究人员首次系统地搜索了整个数据库,寻找那些具有拓扑状态的物质。结果显示,数千种已知材料(约多达24%的材料)可能具有拓扑性质。在此之前,研究人员只知道几百种拓扑材料,且只有十几种材料被详细研究过。西班牙圣塞巴斯蒂安nanoGUNE合作研究中心的实验物理学家Reyes Calvo说,“我对这个数字感到震惊。”

7月末,几个团队发布了预印本,详述了他们对数万种材料扫描的结果,以及他们对其拓扑类别的预测,而这些都是以利用一种材料的化学性质以及对称性来计算其属性的算法为基础的。其中的两个团队已经将他们的算法集成到可搜索的数据库中。“你只需输入一个混合物的名称,并点击一下鼠标,就能知道它是否具有拓扑结构。”德国德累斯顿的马克斯普朗克化学物理研究所的凝聚态物理学家Chandra Shekhar说。

到目前为止,物理学家们主要依赖复杂的理论计算来预测一种特定的物质是否具有拓扑状态。但在2017年,由美国普林斯顿大学的物理学家Andrei Bernevig和哈佛大学的Ashvin Vishwanath领导的团队分别首创了极大地加速这个搜索过程的方法,他们利用算法自动地把材料分类进数据库中,这个数据库是以材料的化学成分和源于其结构中的对称性这个属性为基础而建立起来的。这种对称性可以发生在镜面、旋转或平动轴上,对称的方向决定电子在晶体结构的晶格中移动的位置和方式。因此,对称性可以用来预测电子的行为,以及材料是否可能具有拓扑状态。

运用Bernevig的原理,北京凝聚态物理国家实验室的研究人员领导的一个研究小组对39519种材料进行了搜索,研究发现,8000多种材料可能具有拓扑状态,这包括拓扑绝缘体和拓扑半金属材料,在某些条件下,这些材料中的电子像无质量粒子一样活动。该团队的数据库可供任何人访问,并可通过范围变量(如组成元素或晶体中每个重复单元的大小)搜索。

Bernevig的团队也应用这种方法来创建了一个拓扑目录。他的团队使用了无机晶体结构数据库,发现了5797种“高质量”的拓扑材料。研究人员计划在毕尔巴鄂晶体服务器里增加一种能力,以检查材料的拓扑结构和某些相关特性。

但并非每种新的拓扑材料都值得关注。耶鲁大学的实验物理学家Judy Cha说:“如果理论学家能够将这些材料的其他实际信息(比如,晶体中的缺陷如何影响电子的流动)的因素纳入数据库,这将有助于把列表简化为最实用的。”

编译:如歌 审稿:西莫

责编:南熙

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