Et periodisk system for topologiske materialer

Hvad er et topologisk materiale?

De mest interessante topologiske materialer er topologiske isolatorer, som er materialer, der er isolerende i bulk, men ledende på overfladen. I disse materialer er de ledende kanaler, hvor den elektroniske strøm løber, meget robuste. De fortsætter uafhængigt af nogle ydre forstyrrelser, som man kan have i eksperimenter, såsom svag lidelse eller temperaturudsving, og de er også uafhængige af størrelse. Dette er meget interessant, fordi det betyder, at disse materialer har en konstant modstand, en konstant ledningsevne. At have en så stram kontrol af den elektroniske strøm er nyttig til mange applikationer.

Hvad er nogle eksempler på topologiske isolatorer?

Det mest kendte eksempel er sandsynligvis galliumarsenid, som er en todimensionel halvleder, der ofte bruges i eksperimenter med heltalskvante-Hall-effekten. I den nyere generation af topologiske isolatorer er den mest kendte vismutselenid, men dette har ikke fået så stor udbredt opmærksomhed.

Hvorfor besluttede du og dine kolleger at søge efter nye topologiske materialer?

På det tidspunkt var der kun få af dem på markedet, og vi tænkte: "Okay, hvis vi kan udvikle en metode, der hurtigt kan beregne eller diagnosticere topologi, kan vi se, om der er materialer, der har mere optimerede egenskaber."

Et eksempel på en optimeret egenskab er det elektroniske båndgab. Det faktum, at disse materialer er isolerende i bulken betyder, at der i bulken er en række energier, hvor elektronerne ikke kan passere igennem. Dette "forbudte" energiområde er det elektroniske båndgab, og elektroner kan ikke rejse i det område, selvom de kan eksistere på materialets overflade. Jo større materialets elektroniske båndgab er, jo bedre en topologisk isolator vil det være.

Hvordan gik du frem for at lede efter nye topologiske materialer?

Vi udviklede en algoritme baseret på et materiales krystallinske symmetrier, hvilket er noget, der ikke blev taget i betragtning før. Krystallens symmetri er meget vigtig, når man beskæftiger sig med topologi, fordi visse topologiske materialer og nogle topologiske faser har brug for en bestemt symmetri (eller mangel på symmetri) for at eksistere. For eksempel behøver heltalskvante-Hall-effekten ingen symmetri overhovedet, men den har brug for en symmetri for at blive brudt, hvilket er tidsvendende symmetri. Det betyder, at materialet skal være magnetisk, eller også har vi brug for et meget stort eksternt magnetfelt.

Men andre topologiske faser har brug for symmetrier, og det lykkedes os at identificere, hvilke symmetrier de var. Så, når vi havde identificeret alle symmetrierne, kunne vi klassificere dem - for i sidste ende er det, hvad fysikere gør. Vi klassificerer ting.

Vi begyndte at arbejde med den teoretiske formulering i 2017, og to år senere udgav vi det første papir relateret til denne teoretiske formulering. Men det er først nu, at vi endelig har gennemført alt og offentliggjort det.

Hvem var dine samarbejdspartnere i denne indsats, og hvordan bidrog hver person?

Jeg designede (og til dels udførte) beregningerne af de første principper, hvor vi overvejede, hvordan vi kunne simulere virkelige materialer og "diagnosticere", om de havde topologiske egenskaber. Til det brugte vi state-of-the-art koder og hjemmelavede koder, der fortæller os, hvordan materialets elektroner opfører sig, og hvordan vi kan klassificere materialets topologiske egenskaber. Den teoretiske formulering og analyse er udført af Benjamin Wieder og Luis Elcoro, fordi de er mere hardcore teoretiske fysikere. De hjalp med at analysere og klassificere de topologiske faser. En anden meget vigtig bidragyder og den førende fyr i dette projekt var Nicolas Regnault; vi byggede hjemmesiden op sammen og sørgede for at designe hjemmesiden og databasen.

Vi fik også hjælp fra Stuart Parkin , Claudia Felser. De er materialeeksperter, så de kunne give os råd om, hvorvidt et materiale var egnet eller ej. Og så Andrei Bernevig var koordinator for alt. Vi havde allerede arbejdet sammen i flere år.

Og hvad fandt du?

Det, vi fandt, er, at der er mange, mange materialer, der har topologiske egenskaber - titusindvis af dem.

Blev du overrasket over tallet?

Ja. Meget!

I betragtning af hvor allestedsnærværende disse topologiske egenskaber viste sig at være, virker det næsten overraskende, at du blev overrasket. Hvorfor havde ingen lagt mærke til det før?

Jeg ved ikke, hvorfor det blev savnet fuldstændigt af fællesskabet, men det er ikke kun vores fællesskab inden for materialevidenskab og kondenseret stoffysik, der savnede det. Kvantemekanik har allerede eksisteret i et århundrede, og disse topologiske egenskaber er subtile, men de er ikke særlig komplekse. Alligevel gik alle kvantemekanikkens smarte "fædre" fuldstændig glip af denne teoretiske formulering.

Har nogen prøvet at syntetisere disse materialer og kontrollere, om de faktisk opfører sig som topologiske isolatorer?

Ikke alle er selvfølgelig blevet tjekket, for der er så mange. Men nogle af dem har. Der er nye topologiske materialer, der er blevet skabt eksperimentelt efter dette arbejde, som den højordens topologiske isolator Bi4Br4.

Topologisk materialedatabase du og dine kolleger konstrueret er blevet beskrevet som "et periodisk system for topologiske materialer". Hvilke egenskaber bestemmer dens struktur?

De topologiske egenskaber er relateret til den elektroniske strøm, som er en global egenskab ved materialet. En af grundene til, at fysikere måske ikke har tænkt på topologi før, er, at de var meget fokuserede på lokale egenskaber, snarere end globale. Så i denne forstand er den vigtige egenskab relateret til lokaliseringen af ​​ladningen og hvordan ladningen defineres i det virkelige rum.

Det, vi fandt, er, at hvis vi kender materialets krystallinske symmetrier, kan vi forudse, hvad ladningens adfærd vil være eller flyde. Og det er sådan, vi kunne klassificere de topologiske faser.

Hvordan fungerer den topologiske materialedatabase? Hvad gør forskerne, når de bruger det?

Først indtaster de materialets kemiske formel. For eksempel, hvis du er interesseret i salt, er formlen natriumchlorid. Så du sætter NaCl i databasen og klikker, og så kommer alle egenskaberne frem. Det er meget enkelt.

Vent, siger du, at almindeligt bordsalt er et topologisk materiale?

Ja.

Virkelig?

Ja.

Det er fantastisk. Udover at overraske folk med velkendte materialers topologiske egenskaber, hvilken indflydelse håber du, at din database vil have på marken?

Jeg håber, det vil hjælpe eksperimentelister med at finde ud af, hvilke materialer de skal dyrke. Nu, hvor vi har analyseret hele spektret af alle materialeegenskaber, burde eksperimentalister være i stand til at sige: "Okay, dette materiale er i et elektrontransportregime, som vi ved ikke er godt, men hvis jeg doper det med nogle elektroner, så vil vi nå frem til et meget interessant regime." Så vi håber på en måde, at det vil hjælpe eksperimentelister med at finde gode materialer.

Der er kommet megen opmærksomhed til topologiske materialer for nylig på grund af en mulig forbindelse til kvanteberegning. Er det en stor motivator i dit arbejde?

Det er relateret, men hvert felt har forskellige grene, og jeg vil sige, at vores arbejde er i en anden gren. Selvfølgelig har du brug for et topologisk materiale som en platform til at udvikle en topologisk kvantecomputer ved hjælp af enhver af de mulige qubits (kvantebits), der er blevet foreslået, så det, vi gjorde, er vigtigt for det. Men at udvikle en topologisk kvantecomputer vil kræve meget mere arbejde med materialedesign, fordi materialets dimension spiller en vigtig rolle. Vi kiggede på tre dimensioner, og det kunne være, at vi for kvantecomputerplatforme skulle fokusere på 2D-systemer.

Der er dog andre applikationer. Du kan bruge databasen til at finde materialer til f.eks. solceller eller til katalyse, detektorer eller elektroniske enheder med lav afledning. Ud over de supereksotiske applikationer er disse daglige muligheder også meget vigtige. Men vores egentlige motivation for arbejdet var at forstå topologiens fysik.

Allestedsnærværende topologiske materialer afsløret i kataloger indeholdende tusindvis af stoffer

Hvad er det næste for dig og dine samarbejdspartnere?

Jeg vil gerne forske i organiske materialer. Fokus i den nuværende database er på uorganiske materialer, fordi vi tog udgangspunkt i den uorganiske krystalstrukturdatabase, men organiske materialer er også meget interessante. Jeg vil også gerne undersøge flere magnetiske materialer, fordi der rapporteres færre magnetiske materialer i databasen end ikke-magnetiske. Og så vil jeg se på materialer, der har chirale symmetrier - det vil sige, de er symmetriske, men "afleveret" i, at de har en venstre version og en højre version.

Tror du, at der kunne være tusindvis flere topologiske materialer derude blandt de organiske eller magnetiske materialer?

Jeg ved ikke. Det afhænger af størrelsen af ​​det elektroniske båndgab. Vi får at se!