Tabel periodik untuk bahan topologi

Apa itu bahan topologi?

Bahan topologi yang paling menarik adalah isolator topologi, yaitu bahan yang sebagian besar bersifat isolasi, tetapi menghantarkan arus pada permukaan. Pada material ini, saluran penghantar tempat arus elektronik mengalir sangat kuat. Mereka bertahan secara independen dari beberapa gangguan eksternal yang dapat terjadi dalam eksperimen, seperti gangguan lemah atau fluktuasi suhu, dan mereka juga tidak bergantung pada ukuran. Hal ini sangat menarik karena berarti bahan-bahan ini mempunyai resistansi yang konstan, konduktivitas yang konstan. Memiliki kontrol yang ketat terhadap arus elektronik berguna untuk banyak aplikasi.

Apa saja contoh isolator topologi?

Contoh paling terkenal mungkin adalah gallium arsenide, yang merupakan semikonduktor dua dimensi yang sering digunakan dalam eksperimen efek Hall kuantum bilangan bulat. Pada isolator topologi generasi baru, yang paling terkenal adalah bismut selenida, tetapi hal ini belum mendapat banyak perhatian luas.

Mengapa Anda dan kolega Anda memutuskan untuk mencari material topologi baru?

Pada saat itu, hanya ada sedikit bahan yang ada di pasaran, dan kami berpikir, “Baiklah, jika kami dapat mengembangkan metode yang dapat menghitung atau mendiagnosis topologi dengan cepat, kami dapat melihat apakah ada bahan yang memiliki sifat yang lebih optimal.”

Salah satu contoh properti yang dioptimalkan adalah celah pita elektronik. Fakta bahwa bahan-bahan ini bersifat isolasi dalam jumlah besar berarti bahwa dalam jumlah besar tersebut, terdapat kisaran energi yang tidak dapat dilewati oleh elektron. Kisaran energi yang “terlarang” ini adalah celah pita elektronik, dan elektron tidak dapat bergerak di wilayah tersebut meskipun mereka dapat berada di permukaan material. Semakin besar celah pita elektronik suatu material, semakin baik pula isolator topologinya.

Bagaimana Anda mencari bahan topologi baru?

Kami mengembangkan algoritme berdasarkan kesimetrian kristal suatu material, sesuatu yang tidak diperhitungkan sebelumnya. Simetri kristal sangat penting ketika berhadapan dengan topologi karena bahan topologi tertentu dan beberapa fase topologi memerlukan simetri tertentu (atau kurangnya simetri) agar ada. Misalnya, efek Hall kuantum bilangan bulat tidak memerlukan simetri sama sekali, namun memerlukan satu simetri untuk dipecahkan, yaitu simetri pembalikan waktu. Artinya, material tersebut harus bersifat magnetis, atau kita memerlukan medan magnet luar yang sangat besar.

Namun fase topologi lain memang memerlukan kesimetrian, dan kami berhasil mengidentifikasi kesimetrian apa saja yang ada. Kemudian, setelah semua simetri teridentifikasi, kami dapat mengklasifikasikannya – karena pada akhirnya, itulah yang dilakukan fisikawan. Kami mengklasifikasikan sesuatu.

Kami mulai mengerjakan rumusan teori tersebut pada tahun 2017, dan dua tahun kemudian, kami menerbitkan makalah pertama terkait rumusan teori tersebut. Tapi baru sekarang kami akhirnya menyelesaikan semuanya dan menerbitkannya.

Siapa kolaborator Anda dalam upaya ini dan bagaimana kontribusi masing-masing orang?

Saya merancang (dan, sebagian, melakukan) penghitungan prinsip pertama di mana kami mempertimbangkan cara mensimulasikan material nyata dan "mendiagnosis" apakah material tersebut memiliki sifat topologi. Untuk itu, kami menggunakan kode canggih dan kode buatan sendiri yang memberi tahu kami bagaimana perilaku elektron material dan bagaimana kami dapat mengklasifikasikan sifat topologi material. Perumusan teori dan analisis dilakukan oleh Benyamin Wieder dan Luis Elcoro karena mereka lebih merupakan fisikawan teoretis yang garis keras. Mereka membantu menganalisis dan mengklasifikasikan fase topologi. Kontributor lain yang sangat penting dan pemimpin proyek ini adalah Nicolas Regnault; kami membangun situs web bersama-sama dan merancang situs web dan database.

Kami juga mendapat bantuan dari Stuart Parkin dan Claudia Felser. Mereka adalah ahli material, sehingga mereka bisa memberikan saran apakah suatu material cocok atau tidak. Kemudian Andrey Bernevig adalah koordinator segalanya. Kami sudah bekerja bersama selama beberapa tahun.

Dan apa yang kamu temukan?

Apa yang kami temukan adalah ada banyak sekali material yang memiliki sifat topologi – jumlahnya puluhan ribu.

Apakah Anda terkejut dengan nomor tersebut?

Ya. Sangat!

Mengingat betapa sifat-sifat topologi ini ada di mana-mana, tampaknya hampir mengejutkan jika Anda terkejut. Mengapa tidak ada yang menyadarinya sebelumnya?

Saya tidak tahu mengapa hal ini terlewatkan sepenuhnya oleh komunitas, namun bukan hanya komunitas kita dalam ilmu material dan fisika benda terkondensasi yang melewatkannya. Mekanika kuantum telah ada selama satu abad, dan sifat-sifat topologi ini tidak kentara, tetapi tidak terlalu rumit. Namun semua “bapak” mekanika kuantum yang cerdas sama sekali melewatkan formulasi teoretis ini.

Adakah yang pernah mencoba mensintesis bahan-bahan ini dan memeriksa apakah bahan-bahan tersebut memang berperilaku sebagai isolator topologi?

Tentu saja tidak semuanya diperiksa karena jumlahnya sangat banyak. Namun beberapa dari mereka punya. Ada bahan topologi baru yang telah dibuat secara eksperimental setelah pekerjaan ini, seperti isolator topologi tingkat tinggi Bi4Br4.

Grafik Basis Data Bahan Topologi yang Anda dan kolega Anda buat telah digambarkan sebagai "tabel periodik untuk bahan topologi". Properti apa yang menentukan strukturnya?

Sifat topologi berkaitan dengan arus elektronik, yang merupakan sifat global material. Salah satu alasan mengapa fisikawan mungkin tidak memikirkan topologi sebelumnya adalah karena mereka sangat fokus pada properti lokal, dibandingkan properti global. Jadi dalam pengertian ini, sifat penting terkait dengan lokalisasi muatan dan bagaimana muatan didefinisikan dalam ruang nyata.

Apa yang kami temukan adalah jika kita mengetahui kesimetrian kristal suatu material, kita dapat mengantisipasi perilaku atau aliran muatan. Dan itulah bagaimana kita dapat mengklasifikasikan fase-fase topologi.

Bagaimana cara kerja Database Material Topologi? Apa yang peneliti lakukan ketika mereka menggunakannya?

Pertama, mereka memasukkan rumus kimia bahan tersebut. Misalnya jika Anda tertarik dengan garam, rumusnya adalah natrium klorida. Jadi Anda memasukkan NaCl ke dalam database dan Anda klik, dan kemudian semua properti muncul. Ini sangat sederhana.

Tunggu, maksud Anda garam meja biasa adalah bahan topologi?

Ya.

Benarkah?

Ya.

Itu luar biasa. Selain mengejutkan orang-orang dengan sifat topologi material yang sudah dikenal, apa dampak yang Anda harapkan dari database Anda di lapangan?

Saya harap ini akan membantu para peneliti dalam menentukan bahan apa yang harus mereka tanam. Kini setelah kita menganalisis seluruh spektrum sifat material, para peneliti seharusnya dapat mengatakan, “Oke, material ini berada dalam rezim transpor elektron yang kita tahu tidak baik, tetapi jika saya menambahkan beberapa elektron ke dalamnya, maka kita akan melakukannya. mencapai rezim yang sangat menarik.” Jadi kami berharap, hal ini akan membantu para peneliti untuk menemukan bahan yang bagus.

Banyak perhatian tertuju pada material topologi baru-baru ini karena kemungkinan kaitannya dengan komputasi kuantum. Apakah itu menjadi motivator besar dalam pekerjaan Anda?

Itu terkait, tetapi setiap bidang memiliki cabang yang berbeda, dan menurut saya pekerjaan kami berada di cabang yang berbeda. Tentu saja, Anda memerlukan bahan topologi sebagai platform untuk mengembangkan komputer kuantum topologi menggunakan salah satu kemungkinan qubit (bit kuantum) yang telah diusulkan, jadi apa yang kami lakukan penting untuk itu. Namun mengembangkan komputer kuantum topologi akan memerlukan lebih banyak pekerjaan pada desain material karena dimensi material memainkan peran penting. Kami sedang melihat tiga dimensi, dan mungkin saja untuk platform komputasi kuantum, kami perlu fokus pada sistem 2D.

Namun ada aplikasi lain. Anda dapat menggunakan database untuk menemukan bahan untuk sel surya, misalnya, atau untuk katalisis, detektor, atau perangkat elektronik dengan disipasi rendah. Selain penerapan super eksotik, kemungkinan sehari-hari ini juga sangat penting. Namun motivasi kami yang sebenarnya dalam pekerjaan ini adalah untuk memahami fisika topologi.

Di mana-mana bahan topologi terungkap dalam katalog yang berisi ribuan zat

Apa selanjutnya untuk Anda dan kolaborator Anda?

Saya ingin melakukan penelitian tentang bahan organik. Fokus database saat ini adalah pada material anorganik karena kami mengambil Database Struktur Kristal Anorganik sebagai titik awal, namun material organik juga sangat menarik. Saya juga ingin menyelidiki lebih banyak material magnetik, karena lebih sedikit material magnetik yang dilaporkan dalam database dibandingkan material non-magnetik. Lalu saya ingin melihat material yang memiliki simetri kiral – yaitu, simetris, namun “tangan” karena memiliki versi kiri dan versi kanan.

Menurut Anda, apakah ada ribuan material topologi lainnya di antara material organik atau magnetik?

Aku tidak tahu. Hal ini tergantung pada besarnya celah pita elektronik. Kita lihat saja nanti!