Periódusos táblázat a topológiai anyagokhoz

Mi az a topológiai anyag?

A legérdekesebb topológiai anyagok a topológiai szigetelők, amelyek nagyrészt szigetelő, de a felületen vezető anyagok. Ezekben az anyagokban a vezető csatornák, ahol az elektronikus áram folyik, nagyon robusztusak. Függetlenül fennmaradnak a kísérletekben előforduló külső zavaroktól, például gyenge zavaroktól vagy hőmérséklet-ingadozásoktól, és függetlenek a mérettől is. Ez nagyon érdekes, mert ez azt jelenti, hogy ezeknek az anyagoknak állandó ellenállásuk, állandó vezetőképességük van. Az elektronikus áram ilyen szigorú szabályozása számos alkalmazásnál hasznos.

Milyen példák vannak a topológiai szigetelőkre?

A legismertebb példa valószínűleg a gallium-arzenid, amely egy kétdimenziós félvezető, amelyet gyakran használnak az egész kvantum Hall-effektussal kapcsolatos kísérletekben. A topológiai szigetelők újabb generációjában a legismertebb a bizmut-szelenid, de ez nem kapott ekkora figyelmet.

Miért döntöttek úgy Ön és munkatársai, hogy új topológiai anyagokat keresnek?

Akkoriban csak néhány volt belőlük a piacon, és azt gondoltuk: „Rendben, ha ki tudunk fejleszteni egy módszert, amely képes gyorsan kiszámítani vagy diagnosztizálni a topológiát, akkor láthatjuk, hogy vannak-e olyan anyagok, amelyek optimalizáltabb tulajdonságokkal rendelkeznek.”

Az optimalizált tulajdonság egyik példája az elektronikus sávrés. Az a tény, hogy ezek az anyagok nagy részükben szigetelők, azt jelenti, hogy a tömegben van egy olyan energiatartomány, amelyen az elektronok nem tudnak átjutni. Ez a „tiltott” energiatartomány az elektronikus sávrés, és az elektronok nem mozoghatnak ebben a tartományban, bár létezhetnek az anyag felületén. Minél nagyobb az anyag elektronikus sávszélessége, annál jobb topológiai szigetelő lesz.

Hogyan kezdtél új topológiai anyagok után kutatni?

Egy anyag kristályos szimmetriáin alapuló algoritmust dolgoztunk ki, amit korábban nem vettünk figyelembe. A kristály szimmetriája nagyon fontos a topológia vizsgálatakor, mivel bizonyos topológiai anyagok és egyes topológiai fázisok bizonyos szimmetriát (vagy szimmetria hiányát) igényelnek. Például az egész kvantum Hall-effektusnak egyáltalán nincs szüksége szimmetriára, de egy szimmetria megtöréséhez szükséges, ez az idő-visszaváltási szimmetria. Ez azt jelenti, hogy az anyagnak mágnesesnek kell lennie, vagy nagyon nagy külső mágneses mezőre van szükségünk.

De más topológiai fázisokhoz szükség van szimmetriákra, és sikerült azonosítanunk, hogy melyek azok. Aztán, ha az összes szimmetriát azonosítottuk, osztályozhatjuk őket – mert a fizikusok végül is ezt teszik. Osztályozzuk a dolgokat.

2017-ben kezdtünk el dolgozni az elméleti megfogalmazáson, majd két évvel később jelent meg az első írásunk ezzel az elméleti megfogalmazással kapcsolatban. De csak most végeztünk végre mindent és közzétette.

Kik voltak az Ön munkatársai ebben a törekvésben, és hogyan járultak hozzá az egyes személyek?

Megterveztem (és részben elvégeztem) az első elvű számításokat, amelyek során megvizsgáltuk, hogyan lehet valódi anyagokat szimulálni és „diagnosztizálni”, hogy vannak-e topológiai tulajdonságaik. Ehhez a legmodernebb kódokat és házi készítésű kódokat használtuk, amelyek megmondják, hogyan viselkednek az anyag elektronjai, és hogyan osztályozhatjuk az anyag topológiai tulajdonságait. Az elméleti megfogalmazást és elemzést a Wieder Benjámin és Luis Elcoro, mert ők inkább kemény elméleti fizikusok. Segítettek a topológiai fázisok elemzésében és osztályozásában. Egy másik nagyon fontos közreműködő és a projekt vezető embere volt Nicolas Regnault; közösen építettük fel a honlapot, gondoskodtunk a honlap és az adatbázis tervezéséről.

Segítségünk is volt Stuart Parkin és a Claudia Felser. Ők anyagszakértők, így tanácsot adhatnak, hogy megfelelő-e egy anyag vagy sem. És akkor Andrei Bernevig mindennek volt a koordinátora. Már több éve együtt dolgoztunk.

És mit találtál?

Azt találtuk, hogy sok-sok anyag van, amelyek topológiai tulajdonságokkal rendelkeznek – több tízezer.

Meglepett a szám?

Igen. Nagyon!

Tekintettel arra, hogy ezek a topológiai tulajdonságok mennyire általánosnak bizonyultak, szinte meglepőnek tűnik, hogy meglepett. Miért nem vette észre korábban senki?

Nem tudom, miért hiányolta teljesen a közösségnek, de nem csak az anyagtudomány és a sűrített anyag fizikán belüli közösségünknek hiányzott. A kvantummechanika már egy évszázada létezik, és ezek a topológiai tulajdonságok finomak, de nem túl bonyolultak. Pedig a kvantummechanika összes okos „atyja” teljesen figyelmen kívül hagyta ezt az elméleti megfogalmazást.

Próbálta már valaki ezeket az anyagokat szintetizálni, és ellenőrizni, hogy valóban topológiai szigetelőként viselkednek-e?

Persze nem mindegyiket ellenőrizték, mert nagyon sok van. De néhányuknak van. Vannak új topológiai anyagok, amelyeket kísérleti úton hoztak létre e munka nyomán, mint például a Bi4Br4 nagyfokú topológiai szigetelő.

A Topológiai anyagok adatbázisa Ön és munkatársai által megszerkesztett „topológiai anyagok periódusos táblázataként” írták le. Milyen tulajdonságok határozzák meg szerkezetét?

A topológiai tulajdonságok az elektronikus áramhoz kapcsolódnak, amely az anyag globális tulajdonsága. Az egyik ok, amiért a fizikusok korábban nem gondoltak a topológiára, az az, hogy nagyon a helyi tulajdonságokra összpontosítottak, nem pedig a globálisakra. Tehát ebben az értelemben a fontos tulajdonság a töltés lokalizációjával és a töltés valós térben való definíciójával kapcsolatos.

Azt találtuk, hogy ha ismerjük az anyag kristályos szimmetriáit, előre meg tudjuk számítani, milyen lesz a töltés vagy az áramlás viselkedése. És így osztályozhatjuk a topológiai fázisokat.

Hogyan működik a topológiai anyagok adatbázisa? Mit csinálnak a kutatók, amikor használják?

Először beírják az anyag kémiai képletét. Például, ha érdekli a só, a képlet a nátrium-klorid. Tehát berakod a NaCl-t az adatbázisba és rákattintasz, és akkor megjelenik az összes tulajdonság. Ez nagyon egyszerű.

Várj, azt akarod mondani, hogy a konyhasó topológiai anyag?

Igen.

Tényleg?

Igen.

Ez elképesztő. Eltekintve attól, hogy meglepjük az embereket az ismert anyagok topológiai tulajdonságaival, milyen hatással lesz az adatbázisunk a terepre?

Remélem, hogy segíteni fog a kísérletezőknek kitalálni, hogy milyen anyagokat érdemes termeszteni. Most, hogy elemeztük az összes anyagtulajdonság teljes spektrumát, a kísérletezőknek képesnek kell lenniük arra, hogy azt mondhassák: „Rendben, ez az anyag olyan elektrontranszport-rendszerben van, amelyről tudjuk, hogy nem jó, de ha néhány elektronnal összekeverem, akkor egy nagyon érdekes rezsim elérése.” Reméljük tehát, hogy bizonyos értelemben segíteni fog a kísérletezőknek jó anyagok megtalálásában.

A közelmúltban nagy figyelem irányult a topológiai anyagokra a kvantumszámítással való lehetséges kapcsolat miatt. Ez nagy motiváció a munkájában?

Ez összefügg, de minden szakterületnek más ága van, és azt mondanám, hogy a munkánk más ágba tartozik. Természetesen szükség van egy topológiai anyagra, mint platformra egy topológiai kvantumszámítógép fejlesztéséhez a javasolt lehetséges qubitek (kvantumbitek) bármelyikével, ezért az, amit tettünk, fontos ehhez. A topológiai kvantumszámítógép fejlesztése azonban sokkal több munkát igényel az anyagok tervezésén, mivel az anyag mérete fontos szerepet játszik. Három dimenziót vizsgáltunk, és lehet, hogy a kvantumszámítási platformok esetében a 2D-s rendszerekre kell összpontosítanunk.

Vannak azonban más alkalmazások is. Az adatbázis segítségével anyagokat találhat például napelemekhez, vagy katalizátorokhoz, detektorokhoz vagy alacsony disszipációjú elektronikus eszközökhöz. A szuperegzotikus alkalmazásokon túl ezek a napi lehetőségek is nagyon fontosak. De az igazi motivációnk a munkához az volt, hogy megértsük a topológia fizikáját.

A több ezer anyagot tartalmazó katalógusokban feltárt topológiai anyagok mindenütt jelen vannak

Mi a következő lépés Ön és munkatársai számára?

Szerves anyagokkal szeretnék kutatni. A jelenlegi adatbázisban a hangsúly a szervetlen anyagokon van, mivel a Szervetlen Kristályszerkezet Adatbázist vettük kiindulópontnak, de a szerves anyagok is nagyon érdekesek. Több mágneses anyagot is szeretnék megvizsgálni, mert kevesebb mágneses anyag szerepel az adatbázisban, mint nem mágneses. És akkor meg akarom nézni azokat az anyagokat, amelyek királis szimmetriájúak – vagyis szimmetrikusak, de „kézzel” vannak, van balos és jobbos változatuk.

Gondolod, hogy a szerves vagy mágneses anyagok között több ezer topológiai anyag lehet?

Nem tudom. Ez az elektronikus sávszélesség méretétől függ. Meglátjuk!