جدول تناوبی برای مواد توپولوژیکی

ماده توپولوژیکی چیست؟

جالب‌ترین مواد توپولوژیکی عایق‌های توپولوژیکی هستند که موادی هستند که به صورت عمده عایق هستند، اما روی سطح رسانا هستند. در این مواد، کانال های رسانایی که در آن جریان الکترونیکی جریان دارد بسیار قوی هستند. آنها مستقل از برخی اختلالات خارجی که ممکن است در آزمایش‌ها رخ دهد، مانند اختلال ضعیف یا نوسانات دما، باقی می‌مانند، و همچنین مستقل از اندازه هستند. این بسیار جالب است زیرا به این معنی است که این مواد دارای مقاومت ثابت، رسانایی ثابت هستند. داشتن چنین کنترل دقیق جریان الکترونیکی برای بسیاری از کاربردها مفید است.

چند نمونه از عایق های توپولوژیکی چیست؟

شناخته شده ترین مثال احتمالا آرسنید گالیم است که یک نیمه رسانای دو بعدی است که اغلب در آزمایشات روی اثر هال کوانتومی عدد صحیح استفاده می شود. در نسل جدید عایق های توپولوژیکی، شناخته شده ترین آنها بیسموت سلنید است، اما این مورد توجه گسترده ای را به خود جلب نکرده است.

چرا شما و همکارانتان تصمیم به جستجوی مواد توپولوژیکی جدید گرفتید؟

در آن زمان، تعداد کمی از آنها در بازار وجود داشت، و ما فکر کردیم، "خوب، اگر بتوانیم روشی را توسعه دهیم که بتواند توپولوژی را به سرعت محاسبه یا تشخیص دهد، می توانیم ببینیم که آیا موادی وجود دارند که خواص بهینه تری دارند."

یک نمونه از ویژگی های بهینه شده، شکاف باند الکترونیکی است. این واقعیت که این مواد به صورت توده ای عایق هستند به این معنی است که در توده، طیفی از انرژی وجود دارد که الکترون ها نمی توانند از آن عبور کنند. این محدوده انرژی «ممنوع» همان شکاف باند الکترونیکی است و الکترون‌ها نمی‌توانند در آن منطقه حرکت کنند، حتی اگر می‌توانند روی سطح ماده وجود داشته باشند. هرچه فاصله باند الکترونیکی ماده بیشتر باشد، عایق توپولوژیکی بهتری خواهد بود.

چگونه به دنبال مواد توپولوژیکی جدید بودید؟

ما الگوریتمی را بر اساس تقارن‌های کریستالی یک ماده ایجاد کردیم، چیزی که قبلاً در نظر گرفته نشده بود. تقارن کریستال هنگام برخورد با توپولوژی بسیار مهم است زیرا مواد توپولوژیکی خاص و برخی از فازهای توپولوژیکی برای وجود نیاز به تقارن خاص (یا عدم تقارن) دارند. برای مثال، اثر هال کوانتومی عدد صحیح به هیچ تقارنی نیاز ندارد، اما برای شکستن به یک تقارن نیاز دارد، که تقارن معکوس زمانی است. این بدان معناست که ماده باید مغناطیسی باشد یا به یک میدان مغناطیسی خارجی بسیار بزرگ نیاز داریم.

اما سایر فازهای توپولوژیکی نیاز به تقارن دارند و ما موفق شدیم تشخیص دهیم که کدام تقارن هستند. سپس، هنگامی که همه تقارن‌ها را شناسایی کردیم، می‌توانیم آنها را طبقه‌بندی کنیم – زیرا در نهایت، این همان کاری است که فیزیکدانان انجام می‌دهند. ما چیزها را طبقه بندی می کنیم.

کار بر روی فرمول بندی نظری را از سال 2017 شروع کردیم و دو سال بعد اولین مقاله مربوط به این فرمول بندی نظری را منتشر کردیم. اما فقط اکنون است که ما بالاخره همه چیز را کامل کردیم و آن را منتشر کرد.

همکاران شما در این تلاش چه کسانی بودند و هر یک از آنها چگونه مشارکت داشتند؟

من محاسبات اصول اول را طراحی کردم (و تا حدی انجام دادم) که در آنها نحوه شبیه سازی مواد واقعی و "تشخیص" را در نظر گرفتیم که آیا آنها دارای خواص توپولوژیکی هستند یا خیر. برای آن، از کدهای پیشرفته و کدهای خانگی استفاده کردیم که به ما می‌گویند الکترون‌های ماده چگونه رفتار می‌کنند و چگونه می‌توانیم خواص توپولوژیکی مواد را طبقه‌بندی کنیم. فرمول بندی نظری و تجزیه و تحلیل توسط بنجامین ویدر و لوئیس الکورو زیرا آنها فیزیکدانان نظری سرسخت تری هستند. آنها به تجزیه و تحلیل و طبقه بندی مراحل توپولوژیک کمک کردند. یکی دیگر از مشارکت کنندگان بسیار مهم و مرد پیشرو این پروژه بود نیکلاس رگنو; ما با هم وب سایت را ساختیم و به طراحی وب سایت و پایگاه داده پرداختیم.

کمک هم داشتیم استوارت پارکین و کلودیا فلسر. آنها متخصص مواد هستند، بنابراین می توانند در مورد مناسب بودن یا نبودن یک ماده به ما مشاوره دهند. و سپس آندری برنویگ هماهنگ کننده همه چیز بود ما قبلاً چندین سال با هم کار کرده بودیم.

و چه چیزی پیدا کردید؟

آنچه ما دریافتیم این است که مواد بسیار زیادی وجود دارند که دارای خواص توپولوژیکی هستند - ده ها هزار مورد از آنها.

آیا از عدد شگفت زده شدید؟

آره. خیلی!

با توجه به اینکه چقدر این ویژگی های توپولوژیکی در همه جا وجود دارد، به نظر می رسد که شما شگفت زده شدید. چرا کسی قبلاً متوجه نشده بود؟

نمی‌دانم چرا جامعه به‌طور کامل آن را نادیده می‌گیرد، اما این تنها جامعه ما در علم مواد و فیزیک ماده متراکم نیست که آن را از دست داده است. مکانیک کوانتومی یک قرن است که وجود داشته است، و این خواص توپولوژیکی ظریف هستند، اما خیلی پیچیده نیستند. با این حال همه «پدران» باهوش مکانیک کوانتومی این فرمول نظری را کاملاً از دست دادند.

آیا کسی سعی کرده است این مواد را سنتز کند و بررسی کند که آیا واقعاً مانند عایق های توپولوژیکی عمل می کنند؟

البته همه آنها بررسی نشده اند، زیرا تعداد آنها بسیار زیاد است. اما برخی از آنها دارند. مواد توپولوژیکی جدیدی مانند عایق توپولوژیکی درجه بالا Bi4Br4 به دنبال این کار به صورت تجربی ایجاد شده اند.

La پایگاه داده مواد توپولوژیکی ساخته شده توسط شما و همکارانتان به عنوان «جدول تناوبی برای مواد توپولوژیکی» توصیف شده است. چه خواصی ساختار آن را تعیین می کند؟

خواص توپولوژیکی مربوط به جریان الکترونیکی است که یک ویژگی جهانی ماده است. یکی از دلایلی که ممکن است فیزیکدانان قبلاً به توپولوژی فکر نکرده باشند، این است که آنها به جای ویژگی های جهانی، بر ویژگی های محلی متمرکز بودند. بنابراین، از این نظر، ویژگی مهم مربوط به محلی شدن بار و نحوه تعریف بار در فضای واقعی است.

آنچه ما دریافتیم این است که اگر تقارن‌های کریستالی ماده را بدانیم، می‌توانیم رفتار بار یا جریان آن را پیش‌بینی کنیم. و اینگونه است که می‌توانیم فازهای توپولوژیکی را طبقه‌بندی کنیم.

پایگاه داده مواد توپولوژیکی چگونه کار می کند؟ محققان هنگام استفاده از آن چه می کنند؟

ابتدا آنها وارد فرمول شیمیایی ماده می شوند. به عنوان مثال، اگر به نمک علاقه دارید، فرمول آن کلرید سدیم است. بنابراین NaCl را در پایگاه داده قرار می دهید و کلیک می کنید و سپس تمام ویژگی ها ظاهر می شوند. خیلی ساده است.

صبر کنید، آیا می گویید نمک خوراکی معمولی یک ماده توپولوژیکی است؟

بله.

واقعا؟

بله.

این شگفت انگیز است. به غیر از غافلگیر کردن مردم با خواص توپولوژیکی مواد آشنا، امیدوارید پایگاه داده شما چه تأثیری در این زمینه داشته باشد؟

امیدوارم به تجربی‌گران کمک کند تا بفهمند کدام مواد را باید رشد دهند. اکنون که طیف کامل همه خواص مواد را تجزیه و تحلیل کرده‌ایم، تجربی‌شناسان باید بتوانند بگویند: «بسیار خوب، این ماده در یک رژیم انتقال الکترون قرار دارد که می‌دانیم خوب نیست، اما اگر من آن را با مقداری الکترون دوپ کنم، آنگاه این کار را انجام خواهیم داد. رسیدن به یک رژیم بسیار جالب." بنابراین ما امیدواریم که به نوعی به تجربی گران کمک کند تا مواد خوب را بیابند.

اخیراً به دلیل ارتباط احتمالی با محاسبات کوانتومی، توجه زیادی به مواد توپولوژیکی شده است. آیا این یک انگیزه بزرگ در کار شماست؟

مرتبط است، اما هر رشته ای شاخه های مختلفی دارد و من می گویم کار ما در شاخه دیگری است. البته، برای توسعه یک کامپیوتر کوانتومی توپولوژیکی با استفاده از هر یک از کیوبیت‌های احتمالی (بیت‌های کوانتومی) پیشنهاد شده، به یک ماده توپولوژیکی به عنوان بستری نیاز دارید، بنابراین کاری که ما انجام دادیم برای آن مهم است. اما توسعه یک کامپیوتر کوانتومی توپولوژیکی به کار بسیار بیشتری روی طراحی مواد نیاز دارد زیرا ابعاد ماده نقش مهمی ایفا می کند. ما به سه بعد نگاه می‌کردیم و ممکن است برای پلتفرم‌های محاسباتی کوانتومی، باید روی سیستم‌های دو بعدی تمرکز کنیم.

اگرچه برنامه های کاربردی دیگری نیز وجود دارد. شما می توانید از پایگاه داده برای یافتن مواد برای سلول های خورشیدی، به عنوان مثال، یا برای کاتالیزور، آشکارسازها یا دستگاه های الکترونیکی با اتلاف کم استفاده کنید. فراتر از کاربردهای فوق العاده عجیب و غریب، این امکانات روزمره نیز بسیار مهم هستند. اما انگیزه واقعی ما برای کار، درک فیزیک توپولوژی بود.

همه جا از مواد توپولوژیکی در کاتالوگ های حاوی هزاران ماده آشکار شده است

آینده شما و همکارانتان چیست؟

من می خواهم در مورد مواد آلی تحقیق کنم. تمرکز در پایگاه داده فعلی بر روی مواد معدنی است زیرا ما پایگاه داده ساختار کریستال معدنی را به عنوان نقطه شروع خود در نظر گرفتیم، اما مواد آلی نیز بسیار جالب هستند. من همچنین می خواهم مواد مغناطیسی بیشتری را بررسی کنم، زیرا مواد مغناطیسی کمتری در پایگاه داده نسبت به موارد غیر مغناطیسی گزارش شده است. و سپس می‌خواهم به موادی نگاه کنم که تقارن‌های کایرال دارند - یعنی متقارن هستند، اما از این جهت که یک نسخه چپ و یک نسخه راست دارند، «دست» هستند.

آیا فکر می کنید هزاران ماده توپولوژیکی دیگر در میان مواد آلی یا مغناطیسی وجود داشته باشد؟

من نمی دانم. این به اندازه شکاف باند الکترونیکی بستگی دارد. خواهیم دید!