外側では電気を通すが内側では通さない物質は、かつては珍しいと考えられていました。 実際、それらはどこにでもあります。 マイア・ヴェルニオリ ドイツのドレスデンにあるマックス プランク固体化学物理学研究所の研究者らは、最近、数万個の固体を特定することで実証しました。 彼女はマーガレット・ハリスに、チームがどのように トポロジカル材料データベース そしてそれがフィールドにとって何を意味するか
トポロジカル マテリアルとは
最も興味深いトポロジカル材料はトポロジカル絶縁体です。トポロジカル絶縁体は、バルクでは絶縁性ですが、表面では導電性を示します。 これらの材料では、電子電流が流れる伝導チャネルは非常に堅牢です。 それらは、弱い障害や温度変動など、実験で発生する可能性のあるいくつかの外乱とは無関係に持続し、サイズにも依存しません。 これは、これらの材料が一定の抵抗、一定の導電率を持っていることを意味するため、非常に興味深いものです。 このように電子電流を厳密に制御することは、多くのアプリケーションで役立ちます。
トポロジカル絶縁体の例は何ですか?
最もよく知られている例は、おそらく整数量子ホール効果の実験でよく使用される XNUMX 次元半導体であるヒ化ガリウムです。 新しい世代のトポロジカル絶縁体で最もよく知られているのはセレン化ビスマスですが、これはあまり広く注目されていません。
あなたとあなたの同僚は、なぜ新しいトポロジカル物質を探すことにしたのですか?
当時、市場に出回っていたのはほんの数種類だったので、「よし、トポロジーをすばやく計算または診断できる方法を開発できれば、より最適化された特性を持つ材料があるかどうかを確認できるだろう」と考えました。
最適化された特性の一例は、電子バンドギャップです。 これらの材料がバルクで絶縁しているという事実は、バルクでは、電子が通過できないエネルギーの範囲があることを意味します。 この「禁止された」エネルギー範囲は電子バンド ギャップであり、電子は材料の表面に存在することはできますが、その領域を移動することはできません。 材料の電子バンド ギャップが大きいほど、トポロジカル絶縁体として優れたものになります。
新しいトポロジカル物質をどのように探しましたか?
これまで考慮されていなかった材料の結晶対称性に基づくアルゴリズムを開発しました。 特定のトポロジー材料と一部のトポロジー相は、存在するために特定の対称性 (または対称性の欠如) を必要とするため、トポロジーを扱う場合、結晶の対称性は非常に重要です。 たとえば、整数量子ホール効果には対称性はまったく必要ありませんが、XNUMX つの対称性、つまり時間反転対称性を破る必要があります。 つまり、材料が磁性である必要があるか、非常に大きな外部磁場が必要です。
しかし、他のトポロジカル フェーズには対称性が必要であり、それらがどの対称性であるかを特定することができました。 次に、すべての対称性を特定したら、それらを分類することができます。 私たちは物事を分類します。
2017 年に理論定式化に取り組み始め、XNUMX 年後にこの理論定式化に関連する最初の論文を発表しました。 しかし、ようやくすべてを完成させたのは今だけであり、 公開しました.
この取り組みの協力者は誰で、各人はどのように貢献しましたか?
私は、実際の材料をシミュレートし、それらがトポロジカルな特性を持っているかどうかを「診断」する方法を検討する第一原理計算を設計 (および部分的に実行) しました。 そのために、材料の電子がどのように動作し、材料のトポロジー特性をどのように分類できるかを示す最先端のコードと自家製のコードを使用しました。 理論的な定式化と分析は、 ベンジャミン・ウィーダー ルイス・エルコロは、より筋金入りの理論物理学者であるためです。 彼らは、トポロジー フェーズの分析と分類を支援しました。 もう一人の非常に重要な貢献者であり、このプロジェクトの主役は ニコラ・ルノー; 私たちは一緒にウェブサイトを構築し、ウェブサイトとデータベースの設計を担当しました.
からもご協力をいただきました スチュアート・パーキン & クラウディア・フェルサー. 素材の専門家なので、素材の良し悪しをアドバイスしてくれます。 その後 アンドレイ・ベルネヴィグ すべてのコーディネーターでした。 私たちはすでに数年間一緒に働いていました。
そして、あなたは何を見つけましたか？
私たちが見つけたのは、トポロジー特性を持つ非常に多くの材料、つまり何万もの材料があるということです。
その数に驚きましたか？
はい。 とても！
これらのトポロジー特性がどこにでもあることが判明したことを考えると、あなたが驚いたことはほとんど驚くべきことのように思えます。 なんで今まで誰も気付かなかったの？
コミュニティがそれを完全に見逃した理由はわかりませんが、それを見逃したのは材料科学と物性物理学のコミュニティだけではありません。 量子力学はすでに XNUMX 世紀にわたって存在しており、これらのトポロジー特性は微妙ですが、それほど複雑ではありません。 しかし、量子力学のすべての賢明な「父」は、この理論的定式化を完全に見逃していました。
これらの材料を合成して、実際にトポロジカル絶縁体として振る舞うかどうかを確認した人はいますか?
もちろん、たくさんあるので、すべてをチェックしたわけではありません。 しかし、それらのいくつかは持っています。 高次トポロジカル絶縁体 Bi4Br4 のように、この研究に続いて実験的に作成された新しいトポロジカル物質があります。
トポロジカル材料データベース あなたとあなたの同僚が構築したことは、「トポロジカル物質の周期表」と表現されています。 その構造を決定する特性は何ですか?
トポロジー特性は、材料のグローバルな特性である電子電流に関連しています。 物理学者がこれまでトポロジーについて考えなかった理由の XNUMX つは、物理学者がグローバルな特性よりもローカルな特性に非常に注目していたことです。 この意味で、重要な特性は、電荷の局在化と、電荷が実空間でどのように定義されるかに関連しています。
私たちが見つけたのは、材料の結晶対称性を知っていれば、電荷の振る舞いがどうなるか、または流れるかを予測できるということです。 そして、それがトポロジカルフェーズを分類する方法です。
トポロジカル マテリアル データベースはどのように機能しますか? 研究者はそれを使用するときに何をしますか?
まず、材料の化学式を入力します。 たとえば、塩に興味がある場合、式は塩化ナトリウムです。 NaCl をデータベースに入れてクリックすると、すべてのプロパティが表示されます。 とても簡単です。
ちょっと待って、普通の食卓塩はトポロジカルな物質だとおっしゃっていますか？
はい。
本当に？
はい。
すごいですね。 身近な物質のトポロジー特性で人々を驚かせることは別として、あなたのデータベースがこの分野にどのような影響を与えることを期待していますか?
実験者がどの材料を成長させるべきかを理解するのに役立つことを願っています. すべての材料特性の完全なスペクトルを分析したので、実験者は次のように言うことができるはずです。非常に興味深い体制に到達します。」 ですから、ある意味では、実験者が良い材料を見つけるのに役立つことを願っています.
最近、量子コンピューティングへのリンクの可能性があるため、トポロジカル材料に多くの注目が集まっています。 それはあなたの仕事の大きな動機ですか？
それは関連していますが、すべての分野にはさまざまな分野があり、私たちの仕事は別の分野にあると言えます。 もちろん、提案されている量子ビット（量子ビット）のいずれかを使用してトポロジカル量子コンピューターを開発するには、プラットフォームとしてトポロジカル材料が必要なので、そのために私たちが行ったことは重要です。 しかし、トポロジカル量子コンピューターを開発するには、材料の次元が重要な役割を果たすため、材料設計に関してさらに多くの作業が必要になります。 私たちは 2 次元を見ていましたが、量子コンピューティング プラットフォームの場合、XNUMXD システムに注目する必要があるかもしれません。
ただし、他のアプリケーションがあります。 データベースを使用して、たとえば太陽電池の材料や、触媒作用、検出器、低損失電子デバイスの材料を見つけることができます。 非常にエキゾチックなアプリケーションを超えて、これらの日常的な可能性も非常に重要です。 しかし、この作業の本当の動機は、トポロジーの物理を理解することでした。
数千の物質を含むカタログで明らかにされたトポロジカル物質の遍在性
あなたとあなたの協力者にとって、次は何ですか？
有機材料の研究をしたいです。 無機結晶構造データベースを出発点にしているため、現在のデータベースは無機材料に焦点を当てていますが、有機材料も非常に興味深いものです。 また、データベースに報告されている磁性体は非磁性体よりも少ないため、磁性体についても調査したいと考えています。 次に、カイラル対称性を持つ物質を調べたいと思います。つまり、それらは対称ですが、左バージョンと右バージョンがあるという点で「利き手」です。
有機材料や磁性材料の中に、さらに何千ものトポロジカル材料があると思いますか?
わからない。 それは電子バンドギャップの大きさに依存します。 見てみましょう！
