كان يُعتقد في السابق أن المواد التي توصل الكهرباء من أطرافها ، ولكن ليس داخلها ، غير عادية. في الواقع ، هم موجودون في كل مكان ، مثل مايا فيرجنيوري من معهد ماكس بلانك للفيزياء الكيميائية للمواد الصلبة في دريسدن ، ألمانيا ، وزملاؤه أظهروا مؤخرًا من خلال تحديد عشرات الآلاف منهم. تحدثت إلى مارجريت هاريس حول كيفية إنشاء الفريق لـ قاعدة بيانات المواد الطوبولوجية وماذا يعني ذلك للميدان
ما هي المادة الطوبولوجية؟
المواد الطوبولوجية الأكثر إثارة للاهتمام هي العوازل الطوبولوجية ، وهي مواد عازلة في الكتلة ، لكنها موصلة على السطح. في هذه المواد ، تكون القنوات الموصلة التي يتدفق فيها التيار الإلكتروني قوية للغاية. فهي تستمر بشكل مستقل عن بعض الاضطرابات الخارجية التي يمكن أن يتعرض لها المرء في التجارب ، مثل الاضطراب الضعيف أو تقلبات درجة الحرارة ، كما أنها مستقلة عن الحجم. هذا مثير للاهتمام للغاية لأنه يعني أن هذه المواد لديها مقاومة ثابتة وموصلية ثابتة. إن وجود مثل هذا التحكم الدقيق في التيار الإلكتروني مفيد للعديد من التطبيقات.
ما هي بعض الأمثلة على العوازل الطوبولوجية؟
من المحتمل أن يكون أفضل مثال معروف هو زرنيخيد الغاليوم ، وهو عبارة عن شبه موصل ثنائي الأبعاد يستخدم غالبًا في التجارب على تأثير هول الكمي الصحيح. في الجيل الأحدث من العوازل الطوبولوجية ، أشهرها هو البزموت سيلينيد ، لكن هذا لم يكتسب نفس القدر من الاهتمام على نطاق واسع.
لماذا قررت أنت وزملاؤك البحث عن مواد طوبولوجية جديدة؟
في ذلك الوقت ، كان هناك عدد قليل منهم في السوق ، وفكرنا ، "حسنًا ، إذا استطعنا تطوير طريقة يمكنها حساب أو تشخيص الهيكل بسرعة ، يمكننا معرفة ما إذا كانت هناك مواد ذات خصائص محسّنة أكثر."
أحد الأمثلة على الخاصية المحسنة هو فجوة النطاق الإلكترونية. حقيقة أن هذه المواد عازلة في الكتلة تعني أنه في الكتلة ، هناك مجموعة من الطاقات حيث لا يمكن للإلكترونات المرور. نطاق الطاقة "المحظور" هذا هو فجوة النطاق الإلكترونية ، ولا يمكن للإلكترونات السفر في تلك المنطقة على الرغم من إمكانية وجودها على سطح المادة. كلما كانت فجوة النطاق الإلكترونية للمادة أكبر ، كلما كان عازلًا طوبولوجيًا أفضل.
كيف بدأت في البحث عن مواد طوبولوجية جديدة؟
لقد طورنا خوارزمية بناءً على التناظرات البلورية للمادة ، وهو أمر لم يؤخذ في الاعتبار من قبل. يعد تناسق البلورات مهمًا جدًا عند التعامل مع الطوبولوجيا لأن بعض المواد الطوبولوجية وبعض الأطوار الطوبولوجية تحتاج إلى تناظر معين (أو عدم تناسق). على سبيل المثال ، لا يحتاج تأثير هول الكمي الصحيح إلى أي تناظرات على الإطلاق ، ولكنه يحتاج إلى تناظر واحد لكسر ، وهو تناظر انعكاس الوقت. هذا يعني أن المادة يجب أن تكون مغناطيسية ، أو أننا بحاجة إلى مجال مغناطيسي خارجي كبير جدًا.
لكن الأطوار الطوبولوجية الأخرى تحتاج بالفعل إلى تناظرات ، وتمكنا من تحديد التماثلات التي كانت موجودة. بعد ذلك ، بمجرد تحديد كل التماثلات ، يمكننا تصنيفها - لأنه في النهاية ، هذا ما يفعله الفيزيائيون. نصنف الأشياء.
بدأنا العمل على الصياغة النظرية في عام 2017 ، وبعد عامين ، نشرنا أول ورقة بحثية تتعلق بهذه الصيغة النظرية. لكن الآن فقط أكملنا كل شيء أخيرًا و نشرها.
من هم المتعاونون معك في هذا الجهد وكيف ساهم كل شخص؟
لقد صممت (ونفذت جزئيًا) حسابات المبادئ الأولى التي درسنا فيها كيفية محاكاة المواد الحقيقية و "تشخيص" ما إذا كانت لها خصائص طوبولوجية. لذلك ، استخدمنا أحدث الرموز والأكواد محلية الصنع التي تخبرنا كيف تتصرف إلكترونات المادة وكيف يمكننا تصنيف الخصائص الطوبولوجية للمادة. تم إجراء الصياغة النظرية والتحليل بواسطة بنيامين فيدير و Luis Elcoro لأنهم فيزيائيون نظرية أكثر تشددًا. ساعدوا في تحليل وتصنيف المراحل الطوبولوجية. كان أحد المساهمين الآخرين المهمين والرائد في هذا المشروع نيكولاس ريغنولت؛ أنشأنا موقع الويب معًا واعتنينا بتصميم الموقع وقاعدة البيانات.
لقد حصلنا أيضًا على مساعدة من ستيوارت باركين و كلوديا فيلسر. إنهم خبراء في المواد ، لذا يمكنهم تقديم المشورة لنا حول ما إذا كانت المادة مناسبة أم لا. وثم أندريه بيرنيفيج كان المنسق لكل شيء. لقد عملنا معًا لعدة سنوات بالفعل.
وماذا وجدت؟
ما وجدناه هو أن هناك العديد والعديد من المواد التي لها خصائص طوبولوجية - عشرات الآلاف منها.
هل فوجئت بالرقم؟
نعم. جداً!
بالنظر إلى مدى انتشار هذه الخصائص الطوبولوجية في كل مكان ، يبدو من المدهش تقريبًا أنك فوجئت. لماذا لم يلاحظ أحد من قبل؟
لا أعرف لماذا فقدها المجتمع تمامًا ، ولكن ليس فقط مجتمعنا داخل علم المواد وفيزياء المادة المكثفة هو الذي فاته. ميكانيكا الكم موجودة منذ قرن من الزمان ، وهذه الخصائص الطوبولوجية دقيقة ، لكنها ليست معقدة للغاية. ومع ذلك فإن جميع "الآباء" الأذكياء لميكانيكا الكم أخطأوا تمامًا هذه الصيغة النظرية.
هل حاول أي شخص تصنيع هذه المواد والتحقق منها لمعرفة ما إذا كانت تتصرف بالفعل كعوازل طوبولوجية؟
لم يتم فحص كل منهم ، بالطبع ، لأن هناك الكثير. لكن البعض منهم لديه. هناك مواد طوبولوجية جديدة تم إنشاؤها تجريبياً بعد هذا العمل ، مثل العازل الطوبولوجي عالي الرتبة Bi4Br4.
• قاعدة بيانات المواد الطوبولوجية تم وصفك أنت وزملاؤك الذين قمت بإنشائهم على أنهم "جدول دوري للمواد الطوبولوجية". ما هي الخصائص التي تحدد هيكلها؟
ترتبط الخصائص الطوبولوجية بالتيار الإلكتروني ، وهو خاصية عالمية للمادة. أحد الأسباب التي قد تجعل علماء الفيزياء لا يفكرون في الطوبولوجيا من قبل هو أنهم كانوا يركزون بشدة على الخصائص المحلية ، بدلاً من الخصائص العالمية. وبهذا المعنى ، ترتبط الخاصية المهمة بتوطين الشحنة وكيفية تحديد الشحنة في الفضاء الحقيقي.
ما وجدناه هو أنه إذا عرفنا التماثلات البلورية للمادة ، فيمكننا توقع ما سيكون عليه سلوك الشحنة أو تدفقها. وهذه هي الطريقة التي يمكننا بها تصنيف المراحل الطوبولوجية.
كيف تعمل قاعدة بيانات المواد الطوبولوجية؟ ماذا يفعل الباحثون عندما يستخدمونها؟
أولاً ، يدخلون الصيغة الكيميائية للمادة. على سبيل المثال ، إذا كنت مهتمًا بالملح ، فإن الصيغة هي كلوريد الصوديوم. لذلك تضع NaCl في قاعدة البيانات ثم تنقر ، ثم تظهر جميع الخصائص. انه بسيط جدا.
انتظر ، هل تقول أن ملح الطعام الشائع هو مادة طوبولوجية؟
نعم.
حقا؟
نعم.
هذا مذهل. بصرف النظر عن مفاجأة الأشخاص بالخصائص الطوبولوجية للمواد المألوفة ، ما هو التأثير الذي تأمل أن يكون لقاعدة البيانات الخاصة بك على المجال؟
آمل أن يساعد التجريبين في معرفة المواد التي يجب أن يزرعوها. الآن بعد أن حللنا الطيف الكامل لجميع خصائص المواد ، يجب أن يكون التجريبيون قادرين على القول ، "حسنًا ، هذه المادة في نظام نقل الإلكترون الذي نعرف أنه ليس جيدًا ، ولكن إذا تعاملت مع بعض الإلكترونات ، فسنقوم بذلك توصل إلى نظام مثير للاهتمام ". لذلك نأمل ، بمعنى ما ، أن يساعد التجريبيون في العثور على مواد جيدة.
لقد حظي الكثير من الاهتمام بالمواد الطوبولوجية مؤخرًا بسبب ارتباط محتمل بالحوسبة الكمومية. هل هذا محفز كبير في عملك؟
إنه مرتبط ، لكن لكل مجال فروع مختلفة ، وأود أن أقول إن عملنا في فرع مختلف. بالطبع ، أنت بحاجة إلى مادة طوبولوجية كمنصة لتطوير كمبيوتر كمومي طوبولوجي باستخدام أي من الكيوبتات المحتملة (بتات الكم) التي تم اقتراحها ، لذا فإن ما فعلناه مهم لذلك. لكن تطوير حاسوب كمومي طوبولوجي سيتطلب الكثير من العمل على تصميم المواد لأن أبعاد المادة تلعب دورًا مهمًا. كنا نبحث في ثلاثة أبعاد ، ويمكن أن يكون ذلك بالنسبة لمنصات الحوسبة الكمية ، نحتاج إلى التركيز على الأنظمة ثنائية الأبعاد.
ومع ذلك ، هناك تطبيقات أخرى. يمكنك استخدام قاعدة البيانات للعثور على مواد للخلايا الشمسية ، على سبيل المثال ، أو للحفز أو أجهزة الكشف أو الأجهزة الإلكترونية منخفضة التبديد. بالإضافة إلى التطبيقات فائقة الغرابة ، تعد هذه الاحتمالات اليومية مهمة جدًا أيضًا. لكن دافعنا الحقيقي للعمل كان فهم فيزياء الطوبولوجيا.
انتشار المواد الطوبولوجية في كل مكان في كتالوجات تحتوي على آلاف المواد
ما التالي بالنسبة لك وللمتعاونين معك؟
أود إجراء بحث على المواد العضوية. ينصب التركيز في قاعدة البيانات الحالية على المواد غير العضوية لأننا اتخذنا قاعدة بيانات الهياكل البلورية غير العضوية كنقطة انطلاق ، ولكن المواد العضوية مثيرة جدًا للاهتمام أيضًا. أود أيضًا التحقق من المزيد من المواد المغناطيسية ، لأن المواد المغناطيسية التي تم الإبلاغ عنها في قاعدة البيانات أقل من المواد غير المغناطيسية. ثم أريد أن ألقي نظرة على المواد ذات التماثلات اللولبية - أي أنها متناظرة ، لكنها "مُسلمة" من حيث أنها تحتوي على نسخة يسرى ونسخة صحيحة.
هل تعتقد أنه يمكن أن يكون هناك آلاف المواد الطوبولوجية الأخرى بين المواد العضوية أو المغناطيسية؟
لا أعلم. يعتمد ذلك على حجم فجوة النطاق الإلكتروني. سوف نرى!
