Jaksollinen taulukko topologisille materiaaleille

Mikä on topologinen materiaali?

Mielenkiintoisimpia topologisia materiaaleja ovat topologiset eristeet, jotka ovat pääosin eristäviä, mutta pinnalla johtavia materiaaleja. Näissä materiaaleissa johtavat kanavat, joissa elektroninen virta kulkee, ovat erittäin kestäviä. Ne säilyvät riippumattomina joistakin ulkoisista häiriöistä, joita voi esiintyä kokeissa, kuten heikko häiriö tai lämpötilanvaihtelut, ja ne ovat myös riippumattomia koosta. Tämä on erittäin mielenkiintoista, koska se tarkoittaa, että näillä materiaaleilla on jatkuva vastus, jatkuva johtavuus. Näin tiukka elektronisen virran hallinta on hyödyllistä monissa sovelluksissa.

Mitkä ovat esimerkkejä topologisista eristeistä?

Tunnetuin esimerkki on luultavasti galliumarsenidi, joka on kaksiulotteinen puolijohde, jota käytetään usein kokeissa kokonaislukukvantti Hall-ilmiöstä. Uudemman sukupolven topologisista eristeistä tunnetuin on vismuttiselenidi, mutta tämä ei ole saanut niin laajaa huomiota.

Miksi päätit kollegojesi kanssa etsiä uusia topologisia materiaaleja?

Tuolloin niitä oli markkinoilla vain muutama, ja ajattelimme: "Okei, jos voimme kehittää menetelmän, jolla voidaan laskea tai diagnosoida topologia nopeasti, voimme nähdä, onko olemassa materiaaleja, joilla on optimoitumpia ominaisuuksia."

Yksi esimerkki optimoidusta ominaisuudesta on elektroninen kaistaväli. Se, että nämä materiaalit ovat pääosin eristäviä, tarkoittaa, että suurimmassa osassa on erilaisia ​​energioita, joiden läpi elektronit eivät voi kulkea. Tämä "kielletty" energiaalue on elektroninen kaistaväli, ja elektronit eivät voi kulkea sillä alueella, vaikka ne voivat olla olemassa materiaalin pinnalla. Mitä suurempi materiaalin elektroninen kaistaväli on, sitä parempi topologinen eriste siitä tulee.

Miten lähdit etsimään uusia topologisia materiaaleja?

Kehitimme materiaalin kidesymmetrioihin perustuvan algoritmin, jota ei aiemmin otettu huomioon. Kiteen symmetria on erittäin tärkeä topologiaa käsiteltäessä, koska tietyt topologiset materiaalit ja jotkin topologiset vaiheet tarvitsevat tietyn symmetrian (tai symmetrian puutteen). Esimerkiksi kokonaislukukvantti Hall-ilmiö ei tarvitse symmetrioita ollenkaan, mutta se tarvitsee yhden symmetrian rikkoakseen, joka on ajan käänteinen symmetria. Tämä tarkoittaa, että materiaalin on oltava magneettista tai tarvitsemme erittäin suuren ulkoisen magneettikentän.

Mutta muut topologiset vaiheet tarvitsevat symmetrioita, ja onnistuimme tunnistamaan, mitkä symmetriat ne olivat. Sitten kun olimme tunnistaneet kaikki symmetriat, voimme luokitella ne - koska fyysikot tekevät niin. Luokittelemme asioita.

Aloitimme teoreettisen muotoilun työskentelyn vuonna 2017, ja kaksi vuotta myöhemmin julkaisimme ensimmäisen tähän teoreettiseen muotoiluun liittyvän artikkelin. Mutta vasta nyt olemme vihdoin saaneet kaiken valmiiksi julkaissut sen.

Ketkä olivat yhteistyökumppaneitasi tässä työssä ja miten kukin henkilö osallistui?

Suunnittelin (ja osittain suoritin) ensimmäisen periaatteen laskelmat, joissa pohdimme kuinka simuloida todellisia materiaaleja ja "diagnosoida", onko niillä topologisia ominaisuuksia. Tätä varten käytimme huippuluokan koodeja ja kotitekoisia koodeja, jotka kertovat kuinka materiaalin elektronit käyttäytyvät ja miten voimme luokitella materiaalin topologiset ominaisuudet. Teoreettisen muotoilun ja analyysin teki Benjamin Wieder ja Luis Elcoro, koska he ovat kovempia teoreettisia fyysikoita. He auttoivat topologisten vaiheiden analysoinnissa ja luokittelussa. Toinen erittäin tärkeä osallistuja ja tämän projektin johtaja oli Nicolas Regnault; rakensimme verkkosivut yhdessä ja huolehdimme sivuston ja tietokannan suunnittelusta.

Saimme myös apua mm Stuart Parkin ja Claudia Felser. He ovat materiaaliasiantuntijoita, joten he voivat antaa meille neuvoja siitä, oliko materiaali sopiva vai ei. Ja sitten Andrei Bernevig oli kaiken koordinaattori. Olimme työskennelleet yhdessä jo useita vuosia.

Ja mitä löysit?

Havaitsimme, että on monia, monia materiaaleja, joilla on topologisia ominaisuuksia – niitä kymmeniä tuhansia.

Yllätyitkö numerosta?

Joo. Erittäin!

Ottaen huomioon kuinka yleisiä nämä topologiset ominaisuudet osoittautuivat, näyttää melkein yllättävältä, että yllätyit. Miksei kukaan ollut aiemmin huomannut?

En tiedä miksi yhteisö jätti sen kokonaan kaipaamaan, mutta se ei ole jäänyt vain meidän yhteisömme materiaalitieteen ja tiivistetyn aineen fysiikan piiriin. Kvanttimekaniikka on ollut olemassa jo sata vuotta, ja nämä topologiset ominaisuudet ovat hienovaraisia, mutta ne eivät ole kovin monimutkaisia. Silti kaikki kvanttimekaniikan älykkäät "isät" missasivat tämän teoreettisen muotoilun.

Onko kukaan yrittänyt syntetisoida näitä materiaaleja ja tarkistaa, toimivatko ne todella topologisina eristeinä?

Kaikkia ei tietenkään ole tarkastettu, koska niitä on niin paljon. Mutta joillain heistä on. On olemassa uusia topologisia materiaaleja, jotka on luotu kokeellisesti tämän työn jälkeen, kuten korkealuokkainen topologinen eriste Bi4Br4.

- Topologisten materiaalien tietokanta sinun ja kollegojesi rakentamaa on kuvattu "topologisten materiaalien jaksolliseksi taulukoksi". Mitkä ominaisuudet määräävät sen rakenteen?

Topologiset ominaisuudet liittyvät elektroniseen virtaan, joka on materiaalin globaali ominaisuus. Yksi syy siihen, miksi fyysikot eivät ehkä olleet ajatellut topologiaa aiemmin, on se, että he keskittyivät hyvin paikallisiin ominaisuuksiin globaalien ominaisuuksien sijaan. Joten tässä mielessä tärkeä ominaisuus liittyy varauksen lokalisointiin ja siihen, miten varaus määritellään todellisessa avaruudessa.

Havaitsimme, että jos tiedämme materiaalin kidesymmetriat, voimme ennakoida, millainen varaus käyttäytyy tai virtaa. Ja näin voisimme luokitella topologiset vaiheet.

Miten topologisten materiaalien tietokanta toimii? Mitä tutkijat tekevät, kun he käyttävät sitä?

Ensin ne syöttävät materiaalin kemiallisen kaavan. Jos olet esimerkiksi kiinnostunut suolasta, kaava on natriumkloridi. Joten laitat NaCl:n tietokantaan ja napsautat, ja sitten kaikki ominaisuudet tulevat näkyviin. Se on hyvin yksinkertaista.

Odota, sanotko, että tavallinen ruokasuola on topologinen materiaali?

Kyllä.

Oikeasti?

Kyllä.

Se on hämmästyttävää. Sen lisäksi, että yllätät ihmisiä tuttujen materiaalien topologisilla ominaisuuksilla, minkälaisen vaikutuksen toivot tietokantallasi olevan kenttään?

Toivon, että se auttaa kokeilijoita selvittämään, mitä materiaaleja heidän pitäisi kasvattaa. Nyt kun olemme analysoineet kaiken materiaalin ominaisuuksien spektrin, kokeellisten pitäisi pystyä sanomaan: "Okei, tämä materiaali on elektronien kuljetusjärjestelmässä, jonka tiedämme olevan huono, mutta jos lisään sen joillakin elektroneilla, niin saavuttaa erittäin kiinnostava järjestelmä." Joten toivomme tietyssä mielessä, että se auttaa kokeellisia löytämään hyviä materiaaleja.

Topologisiin materiaaleihin on viime aikoina kiinnitetty paljon huomiota mahdollisen linkin vuoksi kvanttilaskentaan. Onko se suuri motivaattori työssäsi?

Se liittyy, mutta jokaisella alalla on eri haarat, ja sanoisin, että työmme on eri alalla. Tietenkin tarvitset topologista materiaalia alustana topologisen kvanttitietokoneen kehittämiseen käyttämällä mitä tahansa ehdotettua kubittia (kvanttibittiä), joten se, mitä teimme, on sen kannalta tärkeää. Mutta topologisen kvanttitietokoneen kehittäminen vaatii paljon enemmän työtä materiaalien suunnittelussa, koska materiaalin dimensiolla on tärkeä rooli. Tarkastelimme kolmea ulottuvuutta, ja voi olla, että kvanttilaskenta-alustoilla meidän on keskityttävä 2D-järjestelmiin.

On kuitenkin muitakin sovelluksia. Tietokannan avulla voit etsiä materiaaleja esimerkiksi aurinkokennoihin tai katalyyseihin, ilmaisimiin tai vähähajoaviin elektronisiin laitteisiin. Supereksoottisten sovellusten lisäksi nämä päivittäiset mahdollisuudet ovat myös erittäin tärkeitä. Mutta todellinen motivaatiomme työhön oli ymmärtää topologian fysiikka.

Topologisten materiaalien yleisyys paljastuu tuhansia aineita sisältävissä luetteloissa

Mitä sinulle ja yhteistyökumppaneillesi tapahtuu seuraavaksi?

Haluaisin tehdä tutkimusta orgaanisista materiaaleista. Nykyisen tietokannan painopiste on epäorgaanisissa materiaaleissa, koska otimme lähtökohtamme epäorgaanisten kiderakennetietokannan, mutta myös orgaaniset materiaalit ovat erittäin mielenkiintoisia. Haluaisin myös tutkia enemmän magneettisia materiaaleja, koska tietokannassa on vähemmän magneettisia materiaaleja kuin ei-magneettisia. Ja sitten haluan tarkastella materiaaleja, joilla on kiraalista symmetriaa – eli ne ovat symmetrisiä, mutta "käsiteltyjä" siinä mielessä, että niillä on vasen versio ja oikea versio.

Luuletko, että orgaanisten tai magneettisten materiaalien joukossa voisi olla tuhansia enemmän topologisia materiaaleja?

Minä en tiedä. Se riippuu elektronisen kaistavälin koosta. Katsotaan!