טבלה מחזורית לחומרים טופולוגיים

מהו חומר טופולוגי?

החומרים הטופולוגיים המעניינים ביותר הם מבודדים טופולוגיים, שהם חומרים המבודדים בתפזורת, אך מוליכים על פני השטח. בחומרים אלו, הערוצים המוליכים שבהם זורם הזרם האלקטרוני חזקים מאוד. הם נמשכים ללא תלות בכמה הפרעות חיצוניות שיכולות להיות לאדם בניסויים, כמו אי סדר חלש או תנודות טמפרטורה, והם גם בלתי תלויים בגודל. זה מאוד מעניין כי זה אומר שלחומרים האלה יש התנגדות קבועה, מוליכות קבועה. שליטה כה הדוקה בזרם האלקטרוני שימושית עבור יישומים רבים.

מהן כמה דוגמאות למבודדים טופולוגיים?

הדוגמה המוכרת ביותר היא כנראה גליום ארסניד, שהוא מוליך למחצה דו-ממדי המשמש לעתים קרובות בניסויים על אפקט הול הקוונטי במספר שלם. בדור החדש של מבודדים טופולוגיים, הידוע ביותר הוא ביסמוט סלניד, אך זה לא זכה לתשומת לב נרחבת כל כך.

מדוע אתה ועמיתיך החלטתם לחפש חומרים טופולוגיים חדשים?

באותו זמן, היו רק כמה מהם בשוק, וחשבנו, "בסדר, אם נוכל לפתח שיטה שיכולה לחשב או לאבחן טופולוגיה במהירות, נוכל לראות אם יש חומרים בעלי תכונות אופטימליות יותר."

דוגמה אחת למאפיין אופטימלי הוא פער הלהקה האלקטרונית. העובדה שהחומרים הללו מבודדים בתפזורת פירושה שבחלק הארי, יש טווח של אנרגיות שבהן האלקטרונים לא יכולים לעבור דרכם. טווח האנרגיה ה"אסור" הזה הוא פער הרצועה האלקטרונית, ואלקטרונים אינם יכולים לנוע באזור זה למרות שהם יכולים להתקיים על פני החומר. ככל שפער הרצועה האלקטרונית של החומר גדול יותר, כך הוא יהיה מבודד טופולוגי טוב יותר.

איך הגעת לחיפוש חומרים טופולוגיים חדשים?

פיתחנו אלגוריתם המבוסס על סימטריות גבישיות של חומר, וזה דבר שלא נלקח בחשבון קודם לכן. הסימטריה של הגביש חשובה מאוד כשעוסקים בטופולוגיה מכיוון שחומרים טופולוגיים מסוימים וכמה שלבים טופולוגיים זקוקים לסימטריה מסוימת (או חוסר סימטריה) כדי להתקיים. לדוגמה, אפקט הול הקוונטי השלם אינו זקוק כלל לסימטריות, אך הוא כן זקוק לסימטריה אחת כדי להישבר, שהיא סימטריית היפוך זמן. זה אומר שהחומר צריך להיות מגנטי, או שאנחנו צריכים שדה מגנטי חיצוני גדול מאוד.

אבל שלבים טופולוגיים אחרים כן זקוקים לסימטריות, והצלחנו לזהות אילו סימטריות היו. ואז, ברגע שזיהינו את כל הסימטריות, נוכל לסווג אותן - כי בסופו של דבר, זה מה שהפיזיקאים עושים. אנחנו מסווגים דברים.

התחלנו לעבוד על הניסוח התיאורטי בשנת 2017, ושנתיים לאחר מכן, פרסמנו את המאמר הראשון הקשור לניסוח התיאורטי הזה. אבל רק עכשיו סוף סוף השלמנו הכל ו פרסם אותו.

מי היו משתפי הפעולה שלך במאמץ זה וכיצד כל אחד תרם?

תכננתי (ובחלקם ביצעתי) את חישובי העקרונות הראשונים שבהם שקלנו כיצד לדמות חומרים אמיתיים ו"לאבחן" האם יש להם תכונות טופולוגיות. לשם כך השתמשנו בקודים חדישים ובקודים תוצרת בית שמספרים לנו כיצד מתנהגים האלקטרונים של החומר וכיצד נוכל לסווג את התכונות הטופולוגיות של החומר. הניסוח התיאורטי והניתוח נעשו על ידי בנימין וידר ולואיס אלקורו כי הם פיסיקאים תיאורטיים הארדקור יותר. הם עזרו בניתוח ובסיווג השלבים הטופולוגיים. עוד תורם חשוב מאוד והבחור המוביל של הפרויקט הזה היה ניקולס רגנו; בנינו יחד את האתר ודאגנו לעצב את האתר ומאגר הנתונים.

הייתה לנו עזרה גם מ סטיוארט פרקין ו קלאודיה פלסר. הם מומחי חומרים, אז הם יכולים לייעץ לנו אם חומר מתאים או לא. ואז אנדריי ברנביג היה המתאם של הכל. אנחנו עובדים יחד כבר כמה שנים.

ומה מצאת?

מה שמצאנו הוא שיש הרבה מאוד חומרים בעלי תכונות טופולוגיות - עשרות אלפי מהם.

הופתעת מהמספר?

כן. מאוד!

בהתחשב עד כמה התכונות הטופולוגיות הללו נמצאות בכל מקום, זה נראה כמעט מפתיע שהופתעת. למה אף אחד לא שם לב קודם?

אני לא יודע למה זה הוחמיץ לחלוטין על ידי הקהילה, אבל לא רק הקהילה שלנו בתחום מדעי החומרים והפיזיקה של החומרים החמיצה את זה. מכניקת הקוונטים קיימת כבר מאה שנה, והתכונות הטופולוגיות הללו עדינות, אך אינן מורכבות במיוחד. אולם כל ה"אבות" החכמים של מכניקת הקוונטים פספסו לחלוטין את הניסוח התיאורטי הזה.

האם מישהו ניסה לסנתז את החומרים הללו ולבדוק אם הם אכן מתנהגים כמבודדים טופולוגיים?

לא כולם נבדקו, כמובן, כי יש כל כך הרבה. אבל לחלק מהם יש. ישנם חומרים טופולוגיים חדשים שנוצרו בניסוי בעקבות עבודה זו, כמו המבודד הטופולוגי מסדר גבוה Bi4Br4.

השמיים מאגר חומרים טופולוגיים אתה ועמיתיך שנבנו תוארו כ"טבלה מחזורית לחומרים טופולוגיים". אילו תכונות קובעות את המבנה שלו?

התכונות הטופולוגיות קשורות לזרם האלקטרוני, שהוא תכונה גלובלית של החומר. אחת הסיבות לכך שפיזיקאים אולי לא חשבו על טופולוגיה לפני כן היא שהם התמקדו מאוד במאפיינים מקומיים, ולא בגלובליות. אז במובן הזה, התכונה החשובה קשורה ללוקליזציה של המטען ולאופן שבו מוגדר המטען במרחב האמיתי.

מה שמצאנו הוא שאם נדע את הסימטריות הגבישיות של החומר, נוכל לצפות מה ההתנהגות של המטען הולכת להיות או לזרום. וכך נוכל לסווג את השלבים הטופולוגיים.

כיצד פועל מאגר החומרים הטופולוגיים? מה עושים החוקרים כשהם משתמשים בו?

ראשית, הם נכנסים לנוסחה הכימית של החומר. למשל, אם אתם מעוניינים במלח, הנוסחה היא נתרן כלורי. אז אתה שם NaCl במסד הנתונים ואתה לוחץ, ואז כל המאפיינים מופיעים. זה מאוד פשוט.

רגע, אתה אומר שמלח שולחן רגיל הוא חומר טופולוגי?

כן.

באמת?

כן.

זה מדהים. מלבד להפתיע אנשים עם תכונות טופולוגיות של חומרים מוכרים, איזו השפעה אתה מקווה שתהיה למסד הנתונים שלך על השטח?

אני מקווה שזה יעזור לנסיינים להבין אילו חומרים הם צריכים לגדל. כעת, לאחר שניתחנו את הספקטרום המלא של כל תכונות החומר, ניסויים אמורים להיות מסוגלים לומר, "בסדר, החומר הזה נמצא במשטר העברת אלקטרונים שאנחנו יודעים שהוא לא טוב, אבל אם אני אסמם אותו עם כמה אלקטרונים, אז אנחנו נסכים להגיע למשטר מאוד מעניין". אז אנחנו מקווים, במובן מסוים, שזה יעזור לניסויים למצוא חומרים טובים.

תשומת לב רבה הגיעה לחומרים טופולוגיים לאחרונה בגלל קישור אפשרי למחשוב קוונטי. האם זה מניע גדול בעבודה שלך?

זה קשור, אבל לכל תחום יש ענפים שונים, והייתי אומר שהעבודה שלנו היא בענף אחר. כמובן, אתה צריך חומר טופולוגי כפלטפורמה לפיתוח מחשב קוונטי טופולוגי באמצעות כל אחד מהקווביטים האפשריים (סיביות קוונטיות) שהוצעו, אז מה שעשינו חשוב לשם כך. אבל פיתוח מחשב קוונטי טופולוגי ידרוש הרבה יותר עבודה על עיצוב חומרים כי מימד החומר משחק תפקיד חשוב. הסתכלנו על שלושה מימדים, ויכול להיות שעבור פלטפורמות מחשוב קוונטי, נצטרך להתמקד במערכות דו-ממדיות.

אבל יש יישומים אחרים. אתה יכול להשתמש במסד הנתונים כדי למצוא חומרים עבור תאים סולאריים, למשל, או עבור קטליזה, גלאים או מכשירים אלקטרוניים בפיזור נמוך. מעבר ליישומים הסופר-אקזוטיים, גם האפשרויות היומיומיות הללו חשובות מאוד. אבל המוטיבציה האמיתית שלנו לעבודה הייתה להבין את הפיזיקה של הטופולוגיה.

נפוצות של חומרים טופולוגיים שנחשפו בקטלוגים המכילים אלפי חומרים

מה הלאה עבורך ועבור משתפי הפעולה שלך?

אני רוצה לעשות מחקר על חומרים אורגניים. הפוקוס במסד הנתונים הנוכחי הוא על חומרים אנאורגניים מכיוון שלקחנו את מסד הנתונים של מבנה הקריסטלים האנאורגניים כנקודת המוצא שלנו, אבל גם חומרים אורגניים מאוד מעניינים. אני גם רוצה לחקור יותר חומרים מגנטיים, כי במסד הנתונים מדווחים פחות חומרים מגנטיים מאשר חומרים שאינם מגנטיים. ואז אני רוצה להסתכל על חומרים שיש להם סימטריות כיראליות - כלומר, הם סימטריים, אבל "ביד" בכך שיש להם גרסה שמאלית וגרסה ימנית.

האם אתה חושב שיכולים להיות עוד אלפי חומרים טופולוגיים בחוץ בין החומרים האורגניים או המגנטיים?

אני לא יודע. זה תלוי בגודל פער הלהקה האלקטרונית. נראה!