Topoloogiliste materjalide perioodilisustabel

Mis on topoloogiline materjal?

Kõige huvitavamad topoloogilised materjalid on topoloogilised isolaatorid, mis on materjalid, mis on põhiliselt isoleerivad, kuid juhtivad pinnal. Nendes materjalides on juhtivad kanalid, kus elektrooniline vool voolab, väga tugevad. Need püsivad sõltumata välistest häiretest, mis võivad katsetes esineda, nagu nõrk häire või temperatuurikõikumised, ja nad ei sõltu ka suurusest. See on väga huvitav, sest see tähendab, et neil materjalidel on pidev takistus ja konstantne juhtivus. Elektroonilise voolu nii range juhtimine on kasulik paljude rakenduste jaoks.

Millised on mõned näited topoloogilistest isolaatoritest?

Tuntuim näide on ilmselt galliumarseniid, mis on kahemõõtmeline pooljuht, mida kasutatakse sageli täisarvulise kvant-Halli efekti katsetes. Uuema põlvkonna topoloogilistest isolaatoritest on tuntuim vismutseleniid, kuid see pole nii laialdast tähelepanu pälvinud.

Miks otsustasite koos kolleegidega uusi topoloogilisi materjale otsida?

Sel ajal oli neid turul vaid paar ja me mõtlesime: "Olgu, kui suudame välja töötada meetodi, mis võimaldab kiiresti topoloogiat arvutada või diagnoosida, saame näha, kas on materjale, millel on optimeeritud omadused."

Üks optimeeritud omaduse näide on elektrooniline ribalaius. Asjaolu, et need materjalid on suures osas isoleerivad, tähendab, et suures osas on hulk energiaid, millest elektronid ei pääse läbi. See "keelatud" energiavahemik on elektrooniline ribavahe ja elektronid ei saa selles piirkonnas liikuda, kuigi nad võivad materjali pinnal eksisteerida. Mida suurem on materjali elektrooniline ribalaius, seda parem on topoloogiline isolaator.

Kuidas hakkasite otsima uusi topoloogilisi materjale?

Töötasime välja materjali kristallsümmeetriatel põhineva algoritmi, mida varem ei arvestatud. Kristalli sümmeetria on topoloogiaga tegelemisel väga oluline, kuna teatud topoloogilised materjalid ja mõned topoloogilised faasid vajavad teatud sümmeetriat (või sümmeetria puudumist). Näiteks täisarvu kvant Halli efekt ei vaja üldse sümmeetriat, kuid selle murdmiseks on vaja ühte sümmeetriat, mis on aja-pööramise sümmeetria. See tähendab, et materjal peab olema magnetiline või vajame väga suurt välist magnetvälja.

Kuid teised topoloogilised faasid vajavad sümmeetriat ja meil õnnestus tuvastada, millised sümmeetriad need olid. Siis, kui kõik sümmeetriad olid tuvastatud, saime need klassifitseerida – sest lõpuks teevad seda füüsikud. Me klassifitseerime asju.

Alustasime teoreetilise sõnastuse kallal tööd 2017. aastal ja kaks aastat hiljem avaldasime esimese selle teoreetilise formuleeringuga seotud töö. Aga alles nüüd oleme lõpuks kõik valmis saanud ja avaldas selle.

Kes olid teie koostööpartnerid ja kuidas iga inimene oma panuse andis?

Kavandasin (ja osaliselt ka teostasin) esimeste põhimõtete arvutused, mille käigus kaalusime, kuidas simuleerida reaalseid materjale ja "diagnoosida", kas neil on topoloogilised omadused. Selleks kasutasime nüüdisaegseid koode ja isetehtud koode, mis annavad meile teada, kuidas materjali elektronid käituvad ja kuidas saame liigitada materjali topoloogilisi omadusi. Teoreetilise sõnastuse ja analüüsi tegi Benjamin Wieder ja Luis Elcoro, sest nad on rohkem hardcore teoreetilised füüsikud. Need aitasid topoloogiliste faaside analüüsimisel ja klassifitseerimisel. Teine väga oluline panustaja ja selle projekti juhtiv mees oli Nicolas Regnault; koostasime koos kodulehe ning hoolitsesime kodulehe ja andmebaasi kujundamise eest.

Meilt oli abi ka Stuart Parkin ja Claudia Felser. Nad on materjalieksperdid, nii et nad saavad meile nõu anda, kas materjal sobib või mitte. Ja siis Andrei Bernevig oli kõige koordineerija. Olime koos töötanud juba mitu aastat.

Ja mida sa leidsid?

Leidsime, et topoloogiliste omadustega materjale on palju, neid on kümneid tuhandeid.

Kas teid üllatas number?

Jah. Väga!

Arvestades, kui üldlevinud need topoloogilised omadused osutusid, tundub peaaegu üllatav, et olite üllatunud. Miks keegi varem ei märganud?

Ma ei tea, miks see kogukond täielikult kahe silma vahele jättis, kuid mitte ainult meie materjaliteaduse ja kondenseeritud aine füüsika kogukond ei tundnud sellest puudust. Kvantmehaanika on eksisteerinud juba sajand ja need topoloogilised omadused on peened, kuid mitte väga keerulised. Kuid kõik kvantmehaanika nutikad "isad" jätsid sellest teoreetilisest sõnastusest täiesti mööda.

Kas keegi on proovinud neid materjale sünteesida ja kontrollida, kas need tõesti käituvad topoloogiliste isolaatoritena?

Kõiki pole muidugi kontrollitud, sest neid on nii palju. Kuid mõnel neist on. Selle töö järel on eksperimentaalselt loodud uusi topoloogilisi materjale, näiteks kõrgetasemeline topoloogiline isolaator Bi4Br4.

. Topoloogiliste materjalide andmebaas teie ja teie kolleegide loodud on kirjeldatud kui "topoloogiliste materjalide perioodilisustabelit". Millised omadused määravad selle struktuuri?

Topoloogilised omadused on seotud elektroonilise vooluga, mis on materjali globaalne omadus. Üks põhjusi, miks füüsikud ei pruukinud varem topoloogiale mõelda, on see, et nad keskendusid väga kohalikele, mitte globaalsetele omadustele. Nii et selles mõttes on oluline omadus seotud laengu lokaliseerimisega ja sellega, kuidas laeng reaalses ruumis defineeritakse.

Leidsime, et kui me teame materjali kristallsümmeetriat, saame ette näha, milline on laengu käitumine või voog. Ja nii võiksime klassifitseerida topoloogilised faasid.

Kuidas topoloogiliste materjalide andmebaas töötab? Mida teadlased selle kasutamisel teevad?

Esiteks sisestavad nad materjali keemilise valemi. Näiteks kui olete huvitatud soolast, on valem naatriumkloriid. Nii et paned NaCl andmebaasi ja klõpsad ja siis ilmuvad kõik omadused. See on väga lihtne.

Oot, kas sa tahad öelda, et tavaline lauasool on topoloogiline materjal?

Jah.

Kas tõesti?

Jah.

See on hämmastav. Peale selle, et üllatate inimesi tuttavate materjalide topoloogiliste omadustega, millist mõju te loodate teie andmebaasil valdkonnale avaldada?

Loodan, et see aitab eksperimentaatoritel välja selgitada, milliseid materjale nad peaksid kasvatama. Nüüd, kui oleme analüüsinud kogu materjali omaduste spektrit, peaksid eksperimentalistid suutma öelda: "Olgu, see materjal on elektronide transpordirežiimis, mis meie teada ei ole hea, aga kui ma lisan selle mõne elektroniga, siis me jõuda väga huvitava režiimini. Seega loodame teatud mõttes, et see aitab eksperimentalistidel häid materjale leida.

Topoloogilistele materjalidele on viimasel ajal palju tähelepanu pööratud võimaliku seose tõttu kvantarvutusega. Kas see on teie töös suur motivaator?

See on seotud, kuid igal valdkonnal on erinevad harud ja ma ütleks, et meie töö on erinevas harus. Loomulikult on teil vaja topoloogilise kvantarvuti arendamiseks platvormina topoloogilist materjali, kasutades mis tahes pakutud võimalikke kubitte (kvantbitte), nii et see, mida me tegime, on selle jaoks oluline. Kuid topoloogilise kvantarvuti väljatöötamine nõuab materjalide kujundamisel palju rohkem tööd, kuna materjali mõõde mängib olulist rolli. Vaatlesime kolme mõõdet ja võib juhtuda, et kvantarvutusplatvormide puhul peaksime keskenduma 2D-süsteemidele.

Siiski on ka teisi rakendusi. Andmebaasi abil saate leida materjale näiteks päikesepatareide või katalüüsi, detektorite või vähese hajumisega elektroonikaseadmete jaoks. Lisaks ülieksootilistele rakendustele on need igapäevased võimalused samuti väga olulised. Kuid meie tegelik motivatsioon tööks oli topoloogia füüsika mõistmine.

Topoloogiliste materjalide levik, mis ilmneb tuhandeid aineid sisaldavates kataloogides

Mis saab teie ja teie kaastöötajate jaoks järgmiseks?

Tahaksin teha uurimistööd orgaaniliste materjalide kohta. Praeguses andmebaasis keskendutakse anorgaanilistele materjalidele, kuna võtsime lähtepunktiks anorgaaniliste kristallide struktuuride andmebaasi, kuid ka orgaanilised materjalid on väga huvitavad. Samuti tahaksin uurida rohkem magnetilisi materjale, sest andmebaasis on vähem magnetilisi materjale kui mittemagnetilisi. Ja siis ma tahan vaadata materjale, millel on kiraalne sümmeetria – see tähendab, et need on sümmeetrilised, kuid "käe" selle poolest, et neil on vasak ja parem versioon.

Kas arvate, et orgaaniliste või magnetiliste materjalide hulgas võiks olla tuhandeid topoloogilisi materjale?

ma ei tea. See sõltub elektroonilise ribalaiuse suurusest. Me näeme!