सामयिक सामग्री के लिए एक आवर्त सारणी

टोपोलॉजिकल सामग्री क्या है?

सबसे दिलचस्प टोपोलॉजिकल सामग्री टोपोलॉजिकल इंसुलेटर हैं, जो ऐसी सामग्रियां हैं जो थोक में इन्सुलेट कर रही हैं, लेकिन सतह पर संचालन कर रही हैं। इन सामग्रियों में, प्रवाहकीय चैनल जहां इलेक्ट्रॉनिक धारा प्रवाहित होती है, बहुत मजबूत होते हैं। वे कुछ बाहरी गड़बड़ी से स्वतंत्र रूप से बने रहते हैं जो प्रयोगों में हो सकती हैं, जैसे कमजोर विकार या तापमान में उतार-चढ़ाव, और वे आकार से भी स्वतंत्र हैं। यह बहुत दिलचस्प है क्योंकि इसका मतलब है कि इन सामग्रियों में निरंतर प्रतिरोध, निरंतर चालकता है। इलेक्ट्रॉनिक धारा पर इतना कड़ा नियंत्रण रखना कई अनुप्रयोगों के लिए उपयोगी है।

टोपोलॉजिकल इंसुलेटर के कुछ उदाहरण क्या हैं?

सबसे प्रसिद्ध उदाहरण संभवतः गैलियम आर्सेनाइड है, जो एक द्वि-आयामी अर्धचालक है जिसका उपयोग अक्सर पूर्णांक क्वांटम हॉल प्रभाव पर प्रयोगों में किया जाता है। टोपोलॉजिकल इंसुलेटर की नई पीढ़ी में, सबसे प्रसिद्ध बिस्मथ सेलेनाइड है, लेकिन इस पर उतना व्यापक ध्यान नहीं दिया गया है।

आपने और आपके सहकर्मियों ने नई टोपोलॉजिकल सामग्रियों की खोज करने का निर्णय क्यों लिया?

उस समय, बाज़ार में उनमें से कुछ ही थे, और हमने सोचा, "ठीक है, अगर हम एक ऐसी विधि विकसित कर सकते हैं जो टोपोलॉजी की शीघ्रता से गणना या निदान कर सके, तो हम देख सकते हैं कि क्या ऐसी सामग्रियां हैं जिनमें अधिक अनुकूलित गुण हैं।"

अनुकूलित संपत्ति का एक उदाहरण इलेक्ट्रॉनिक बैंड गैप है। तथ्य यह है कि ये सामग्रियां थोक में इन्सुलेशन कर रही हैं इसका मतलब है कि थोक में, ऊर्जा की एक श्रृंखला होती है जहां से इलेक्ट्रॉन नहीं गुजर सकते हैं। यह "निषिद्ध" ऊर्जा सीमा इलेक्ट्रॉनिक बैंड गैप है, और इलेक्ट्रॉन उस क्षेत्र में यात्रा नहीं कर सकते हैं, भले ही वे सामग्री की सतह पर मौजूद हों। सामग्री का इलेक्ट्रॉनिक बैंड गैप जितना बड़ा होगा, वह उतना ही बेहतर टोपोलॉजिकल इंसुलेटर होगा।

आपने नई टोपोलॉजिकल सामग्रियों की तलाश कैसे की?

हमने सामग्री की क्रिस्टलीय समरूपता के आधार पर एक एल्गोरिदम विकसित किया है, जिसे पहले ध्यान में नहीं रखा गया था। टोपोलॉजी से निपटने के दौरान क्रिस्टल की समरूपता बहुत महत्वपूर्ण है क्योंकि कुछ टोपोलॉजिकल सामग्रियों और कुछ टोपोलॉजिकल चरणों को अस्तित्व में रहने के लिए एक विशेष समरूपता (या समरूपता की कमी) की आवश्यकता होती है। उदाहरण के लिए, पूर्णांक क्वांटम हॉल प्रभाव को बिल्कुल भी समरूपता की आवश्यकता नहीं है, लेकिन इसे तोड़ने के लिए एक समरूपता की आवश्यकता होती है, जो समय-उलट समरूपता है। इसका मतलब है कि सामग्री को चुंबकीय होना चाहिए, या हमें एक बहुत बड़े बाहरी चुंबकीय क्षेत्र की आवश्यकता है।

लेकिन अन्य टोपोलॉजिकल चरणों को समरूपता की आवश्यकता होती है, और हम यह पहचानने में कामयाब रहे कि वे कौन सी समरूपताएं थीं। फिर, एक बार जब हमें सभी समरूपताओं की पहचान हो गई, तो हम उन्हें वर्गीकृत कर सकते थे - क्योंकि अंत में, भौतिक विज्ञानी यही करते हैं। हम चीजों को वर्गीकृत करते हैं।

हमने 2017 में सैद्धांतिक सूत्रीकरण पर काम करना शुरू किया और दो साल बाद, हमने इस सैद्धांतिक सूत्रीकरण से संबंधित पहला पेपर प्रकाशित किया। लेकिन अब जाकर हमने अंततः सब कुछ पूरा कर लिया है इसे प्रकाशित किया.

इस प्रयास में आपके सहयोगी कौन थे और प्रत्येक व्यक्ति ने कैसे योगदान दिया?

मैंने प्रथम-सिद्धांत गणनाओं को डिज़ाइन किया (और, आंशिक रूप से, निष्पादित किया) जिसमें हमने विचार किया कि वास्तविक सामग्रियों का अनुकरण कैसे किया जाए और "निदान" किया जाए कि क्या उनमें टोपोलॉजिकल गुण हैं। इसके लिए, हमने अत्याधुनिक कोड और होममेड कोड का उपयोग किया जो हमें बताते हैं कि सामग्री के इलेक्ट्रॉन कैसे व्यवहार करते हैं और हम सामग्री के टोपोलॉजिकल गुणों को कैसे वर्गीकृत कर सकते हैं। सैद्धान्तिक निरूपण एवं विश्लेषण द्वारा किया गया बेंजामिन वीडर और लुइस एल्कोरो क्योंकि वे अधिक कट्टर सैद्धांतिक भौतिक विज्ञानी हैं। उन्होंने टोपोलॉजिकल चरणों का विश्लेषण और वर्गीकरण करने में मदद की। इस परियोजना का एक और बहुत ही महत्वपूर्ण योगदानकर्ता और अग्रणी व्यक्ति था निकोलस रेगनॉल्ट; हमने एक साथ वेबसाइट बनाई और वेबसाइट और डेटाबेस को डिजाइन करने का ध्यान रखा।

हमें भी मदद मिली स्टुअर्ट पार्किन और क्लाउडिया फेलसर. वे सामग्री विशेषज्ञ हैं, इसलिए वे हमें सलाह दे सकते हैं कि कोई सामग्री उपयुक्त है या नहीं। और तब आंद्रेई बर्नविग हर चीज़ का समन्वयक था। हम पहले से ही कई वर्षों से एक साथ काम कर रहे थे।

और तुम्हें क्या मिला?

हमने जो पाया वह यह है कि ऐसी कई सामग्रियां हैं जिनमें टोपोलॉजिकल गुण हैं - उनमें से हजारों की संख्या में हैं।

क्या आप संख्या से आश्चर्यचकित थे?

हाँ। बहुत!

यह देखते हुए कि ये टोपोलॉजिकल गुण कितने सर्वव्यापी हैं, यह लगभग आश्चर्यजनक लगता है कि आप आश्चर्यचकित थे। पहले किसी ने ध्यान क्यों नहीं दिया?

मुझे नहीं पता कि यह समुदाय द्वारा पूरी तरह से क्यों चूक गया, लेकिन यह केवल सामग्री विज्ञान और संघनित-पदार्थ भौतिकी के भीतर हमारा समुदाय ही नहीं है जो इसे चूक गया। क्वांटम यांत्रिकी पहले से ही एक शताब्दी से अस्तित्व में है, और ये टोपोलॉजिकल गुण सूक्ष्म हैं, लेकिन वे बहुत जटिल नहीं हैं। फिर भी क्वांटम यांत्रिकी के सभी स्मार्ट "पिता" इस सैद्धांतिक सूत्रीकरण से पूरी तरह चूक गए।

क्या किसी ने इन सामग्रियों को संश्लेषित करने और यह देखने के लिए जाँच करने का प्रयास किया है कि क्या वे वास्तव में टोपोलॉजिकल इंसुलेटर के रूप में व्यवहार करते हैं?

बेशक, उनमें से सभी की जाँच नहीं की गई है, क्योंकि बहुत सारे हैं। लेकिन उनमें से कुछ के पास है. नई टोपोलॉजिकल सामग्रियां हैं जो इस कार्य के बाद प्रयोगात्मक रूप से बनाई गई हैं, जैसे उच्च-क्रम टोपोलॉजिकल इंसुलेटर Bi4Br4।

RSI टोपोलॉजिकल सामग्री डेटाबेस आपके और आपके सहयोगियों द्वारा निर्मित को "टोपोलॉजिकल सामग्रियों के लिए एक आवर्त सारणी" के रूप में वर्णित किया गया है। कौन से गुण इसकी संरचना निर्धारित करते हैं?

टोपोलॉजिकल गुण इलेक्ट्रॉनिक करंट से संबंधित हैं, जो सामग्री की एक वैश्विक संपत्ति है। भौतिकविदों ने टोपोलॉजी के बारे में पहले नहीं सोचा होगा इसका एक कारण यह है कि वे वैश्विक संपत्तियों के बजाय स्थानीय संपत्तियों पर बहुत अधिक ध्यान केंद्रित करते थे। तो इस अर्थ में, महत्वपूर्ण गुण आवेश के स्थानीयकरण और वास्तविक स्थान में आवेश को कैसे परिभाषित किया जाता है, से संबंधित है।

हमने जो पाया वह यह है कि यदि हम सामग्री की क्रिस्टलीय समरूपता जानते हैं, तो हम अनुमान लगा सकते हैं कि चार्ज का व्यवहार क्या होगा या प्रवाह क्या होगा। और इस प्रकार हम टोपोलॉजिकल चरणों को वर्गीकृत कर सकते हैं।

टोपोलॉजिकल मटेरियल डेटाबेस कैसे काम करता है? जब शोधकर्ता इसका उपयोग करते हैं तो वे क्या करते हैं?

सबसे पहले, वे सामग्री के रासायनिक सूत्र में प्रवेश करते हैं। उदाहरण के लिए, यदि आप नमक में रुचि रखते हैं, तो सूत्र सोडियम क्लोराइड है। तो आप डेटाबेस में NaCl डालते हैं और क्लिक करते हैं, और फिर सभी गुण दिखाई देते हैं। यह बहुत सरल है।

रुकिए, क्या आप कह रहे हैं कि सामान्य टेबल नमक एक टोपोलॉजिकल सामग्री है?

हां.

सच में?

हां.

वह आश्चर्यजनक है। परिचित सामग्रियों के टोपोलॉजिकल गुणों से लोगों को आश्चर्यचकित करने के अलावा, आपको क्या उम्मीद है कि आपके डेटाबेस का क्षेत्र पर क्या प्रभाव पड़ेगा?

मुझे आशा है कि इससे प्रयोगवादियों को यह पता लगाने में मदद मिलेगी कि उन्हें कौन सी सामग्री उगानी चाहिए। अब जब हमने सभी भौतिक गुणों के पूर्ण स्पेक्ट्रम का विश्लेषण कर लिया है, तो प्रयोगवादियों को यह कहने में सक्षम होना चाहिए, "ठीक है, यह सामग्री एक इलेक्ट्रॉन परिवहन व्यवस्था में है जिसके बारे में हम जानते हैं कि यह अच्छा नहीं है, लेकिन अगर मैं इसे कुछ इलेक्ट्रॉनों के साथ मिला दूं, तो हम करेंगे एक बहुत ही दिलचस्प शासन तक पहुंचें। इसलिए हमें उम्मीद है कि एक तरह से यह प्रयोगकर्ताओं को अच्छी सामग्री खोजने में मदद करेगा।

क्वांटम कंप्यूटिंग के संभावित लिंक के कारण हाल ही में टोपोलॉजिकल सामग्रियों पर बहुत अधिक ध्यान दिया गया है। क्या यह आपके काम में एक बड़ा प्रेरक है?

यह संबंधित है, लेकिन हर क्षेत्र की अलग-अलग शाखाएँ हैं, और मैं कहूँगा कि हमारा काम एक अलग शाखा में है। बेशक, आपको प्रस्तावित किए गए किसी भी संभावित क्वैबिट (क्वांटम बिट्स) का उपयोग करके एक टोपोलॉजिकल क्वांटम कंप्यूटर विकसित करने के लिए एक मंच के रूप में एक टोपोलॉजिकल सामग्री की आवश्यकता है, इसलिए हमने जो किया वह उसके लिए महत्वपूर्ण है। लेकिन टोपोलॉजिकल क्वांटम कंप्यूटर विकसित करने के लिए सामग्री डिज़ाइन पर बहुत अधिक काम करने की आवश्यकता होगी क्योंकि सामग्री का आयाम एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है। हम तीन आयामों पर विचार कर रहे थे, और यह हो सकता है कि क्वांटम कंप्यूटिंग प्लेटफ़ॉर्म के लिए, हमें 2डी सिस्टम पर ध्यान केंद्रित करने की आवश्यकता होगी।

हालाँकि, अन्य अनुप्रयोग भी हैं। आप डेटाबेस का उपयोग सौर कोशिकाओं के लिए सामग्री खोजने के लिए कर सकते हैं, उदाहरण के लिए, या कैटेलिसिस, डिटेक्टरों या कम अपव्यय इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के लिए। अति-विदेशी अनुप्रयोगों से परे, ये रोजमर्रा की संभावनाएं भी बहुत महत्वपूर्ण हैं। लेकिन इस काम के लिए हमारी असली प्रेरणा टोपोलॉजी की भौतिकी को समझना था।

हजारों पदार्थों वाले कैटलॉग में टोपोलॉजिकल सामग्रियों की सर्वव्यापकता का पता चला

आपके और आपके सहयोगियों के लिए आगे क्या है?

मैं जैविक सामग्रियों पर शोध करना चाहूंगा। वर्तमान डेटाबेस में ध्यान अकार्बनिक सामग्रियों पर है क्योंकि हमने अकार्बनिक क्रिस्टल संरचना डेटाबेस को अपने शुरुआती बिंदु के रूप में लिया है, लेकिन कार्बनिक पदार्थ भी बहुत दिलचस्प हैं। मैं और अधिक चुंबकीय सामग्रियों की जांच करना चाहूंगा, क्योंकि डेटाबेस में गैर-चुंबकीय सामग्रियों की तुलना में कम चुंबकीय सामग्रियों की सूचना दी गई है। और फिर मैं उन सामग्रियों को देखना चाहता हूं जिनमें चिरल समरूपताएं हैं - यानी, वे सममित हैं, लेकिन "हैंडेड" हैं, जिसमें उनका एक बायां संस्करण और एक दायां संस्करण है।

क्या आपको लगता है कि कार्बनिक या चुंबकीय सामग्रियों के बीच हजारों और टोपोलॉजिकल सामग्रियां हो सकती हैं?

मुझें नहीं पता। यह इलेक्ट्रॉनिक बैंड गैप के आकार पर निर्भर करता है। हम देखेंगे!