위상학적 물질을 위한 주기율표

토폴로지 재료란?

가장 흥미로운 토폴로지 재료는 토폴로지 절연체(topological insulator)로, 벌크에서는 절연이지만 표면에서는 전도하는 재료입니다. 이러한 재료에서 전자 전류가 흐르는 전도 채널은 매우 견고합니다. 그들은 약한 무질서나 온도 변동과 같은 실험에서 가질 수 있는 일부 외부 교란과 독립적으로 지속되며 크기와도 무관합니다. 이것은 이러한 물질이 일정한 저항과 일정한 전도성을 갖는다는 것을 의미하기 때문에 매우 흥미롭습니다. 전자 전류를 이렇게 엄격하게 제어하는 ​​것은 많은 응용 분야에 유용합니다.

토폴로지 절연체의 예는 무엇입니까?

가장 잘 알려진 예는 아마도 정수 양자 홀 효과에 대한 실험에 자주 사용되는 XNUMX차원 반도체인 갈륨 비소일 것입니다. 새로운 세대의 토폴로지 절연체에서 가장 잘 알려진 것은 비스무트 셀렌화물이지만 이것은 그다지 널리 주목받지 못했습니다.

당신과 당신의 동료들은 왜 새로운 토폴로지 재료를 찾기로 결정했습니까?

그 당시에는 시장에 몇 개 밖에 없었는데, 우리는 “그래, 토폴로지를 빠르게 계산하거나 진단할 수 있는 방법을 개발할 수 있다면, 더 최적화된 특성을 가진 재료가 있는지 볼 수 있을 것”이라고 생각했습니다.

최적화된 속성의 한 예는 전자 밴드 갭입니다. 이러한 물질이 벌크에서 절연된다는 사실은 벌크에서 전자가 통과할 수 없는 에너지 범위가 있음을 의미합니다. 이 "금지된" 에너지 범위는 전자 밴드 갭이며 전자는 물질 표면에 존재할 수 있지만 해당 영역에서는 이동할 수 없습니다. 재료의 전자 밴드 갭이 클수록 위상 절연체가 더 좋습니다.

새로운 토폴로지 재료를 어떻게 찾으셨나요?

우리는 이전에는 고려하지 않았던 재료의 결정 대칭성을 기반으로 알고리즘을 개발했습니다. 특정 위상 재료와 일부 위상이 존재하려면 특정 대칭(또는 대칭 부족)이 필요하기 때문에 결정의 대칭은 위상을 다룰 때 매우 중요합니다. 예를 들어, 정수 양자 홀 효과는 대칭이 전혀 필요하지 않지만 깨뜨리기 위해서는 하나의 대칭, 즉 시간 역전 대칭이 필요합니다. 즉, 재료가 자기적이어야 하거나 매우 큰 외부 자기장이 필요합니다.

그러나 다른 토폴로지 단계에는 대칭이 필요하며 어떤 대칭인지 식별할 수 있었습니다. 그런 다음 모든 대칭이 확인되면 분류할 수 있습니다. 왜냐하면 결국 그것이 물리학자들이 하는 일이기 때문입니다. 우리는 사물을 분류합니다.

우리는 2017년에 이론적 공식화 작업을 시작했고, XNUMX년 후 이 이론적 공식화와 관련된 첫 번째 논문을 발표했습니다. 하지만 이제서야 우리는 마침내 모든 것을 완성했고 출판했다.

이 노력에 당신의 협력자는 누구였으며 각 사람은 어떻게 기여했습니까?

나는 실제 재료를 시뮬레이션하고 위상적 특성이 있는지 "진단"하는 방법을 고려한 첫 번째 원칙 계산을 설계(및 부분적으로 수행)했습니다. 이를 위해 우리는 재료의 전자가 어떻게 행동하고 재료의 위상 특성을 분류할 수 있는지 알려주는 최신 코드와 수제 코드를 사용했습니다. 이론적 공식화 및 분석은 다음과 같이 수행되었습니다. 벤자민 위더 그리고 Luis Elcoro는 그들이 더 하드 코어 이론 물리학 자이기 때문입니다. 그들은 토폴로지 단계를 분석하고 분류하는 데 도움을 주었습니다. 이 프로젝트의 또 다른 매우 중요한 기여자이자 선도적인 사람은 니콜라스 레뇨; 우리는 함께 웹사이트를 구축하고 웹사이트와 데이터베이스 디자인을 담당했습니다.

우리는 또한 스튜어트 파킨 와 클라우디아 펠서. 그들은 재료 전문가이기 때문에 재료가 적합한지 여부에 대한 조언을 제공할 수 있습니다. 그런 다음 안드레이 베르네빅 모든 것의 조정자였습니다. 우리는 이미 몇 년 동안 함께 일해 왔습니다.

그리고 무엇을 찾았습니까?

우리가 발견한 것은 수만 가지의 위상학적 특성을 가진 매우 많은 재료가 있다는 것입니다.

그 숫자에 놀랐습니까?

예. 매우!

이러한 토폴로지 속성이 얼마나 보편적인지를 감안할 때, 당신이 놀랐다는 것은 거의 놀라운 것 같습니다. 이전에는 왜 아무도 눈치채지 못했을까요?

커뮤니티에서 왜 완전히 놓쳤는지 모르겠지만 재료 과학 및 응집 물질 물리학 내의 커뮤니티만 놓친 것은 아닙니다. 양자 역학은 이미 한 세기 동안 존재했으며 이러한 위상학적 특성은 미묘하지만 그다지 복잡하지는 않습니다. 그러나 양자 역학의 똑똑한 "아버지"들은 모두 이 이론 공식을 완전히 놓쳤습니다.

아무도 이러한 재료를 합성하고 이들이 실제로 위상 절연체로 작동하는지 확인하려고 시도했습니까?

물론 너무 많기 때문에 모두 확인되지는 않았습니다. 그러나 그들 중 일부는 가지고 있습니다. 고차 위상 절연체 Bi4Br4와 같이 이 작업에 따라 실험적으로 생성된 새로운 위상 재료가 있습니다.

XNUMXD덴탈의 토폴로지 재료 데이터베이스 당신과 당신의 동료들은 "위상학적 물질을 위한 주기율표"로 묘사되었습니다. 구조를 결정하는 속성은 무엇입니까?

토폴로지 특성은 재료의 전역 특성인 전자 전류와 관련이 있습니다. 물리학자들이 이전에 토폴로지에 대해 생각하지 않았을 수 있는 이유 중 하나는 그들이 전체적 속성이 아닌 로컬 속성에 매우 집중했기 때문입니다. 따라서 이러한 의미에서 중요한 속성은 전하의 위치와 전하가 실제 공간에서 정의되는 방식과 관련이 있습니다.

우리가 발견한 것은 물질의 결정 대칭성을 알면 전하의 거동이나 흐름을 예측할 수 있다는 것입니다. 이것이 우리가 토폴로지 단계를 분류할 수 있는 방법입니다.

토폴로지 재료 데이터베이스는 어떻게 작동합니까? 연구자들은 그것을 사용할 때 무엇을 합니까?

먼저 재료의 화학식을 입력합니다. 예를 들어 소금에 관심이 있다면 공식은 염화나트륨입니다. 따라서 데이터베이스에 NaCl을 넣고 클릭하면 모든 속성이 나타납니다. 매우 간단합니다.

잠깐, 일반 식탁용 소금이 위상학적 물질이라는 말씀이신가요?

예.

정말요?

예.

그 놀라운. 친숙한 재료의 위상학적 특성을 가진 사람들을 놀라게 하는 것 외에도 데이터베이스가 현장에 어떤 영향을 미치기를 바라는가?

실험자들이 성장해야 할 재료를 파악하는 데 도움이 되기를 바랍니다. 모든 물질 특성의 전체 스펙트럼을 분석했으므로 실험가들은 다음과 같이 말할 수 있어야 합니다. 매우 흥미로운 정권에 도달했습니다.” 그래서 어떤 의미에서는 실험자들이 좋은 재료를 찾는 데 도움이 되기를 바랍니다.

양자 컴퓨팅과의 연결 가능성으로 인해 최근 토폴로지 재료에 많은 관심이 쏠리고 있습니다. 그것이 당신의 일에 큰 동기가 됩니까?

관련이 있지만 모든 분야에는 다른 분기가 있으며 우리 작업은 다른 분기에 있다고 말하고 싶습니다. 물론 제안된 모든 가능한 큐비트(양자 비트)를 사용하여 위상 양자 컴퓨터를 개발하려면 플랫폼으로서 위상 재료가 필요하므로 우리가 한 일이 중요합니다. 그러나 위상 양자 컴퓨터를 개발하려면 재료의 치수가 중요한 역할을 하기 때문에 재료 설계에 훨씬 더 많은 작업이 필요합니다. 우리는 2차원을 보고 있었고 양자 컴퓨팅 플랫폼의 경우 XNUMXD 시스템에 집중해야 할 수도 있습니다.

그러나 다른 응용 프로그램이 있습니다. 데이터베이스를 사용하여 예를 들어 태양 전지나 촉매, 감지기 또는 저소산 전자 장치에 대한 재료를 찾을 수 있습니다. 초특급 애플리케이션 외에도 이러한 일상적인 가능성도 매우 중요합니다. 그러나 작업에 대한 우리의 진정한 동기는 토폴로지의 물리학을 이해하는 것이었습니다.

당신과 당신의 협력자들을 위한 다음 단계는 무엇입니까?

유기재료에 대한 연구를 하고 싶습니다. 현재 데이터베이스의 초점은 무기 결정 구조 데이터베이스를 출발점으로 삼았기 때문에 무기 재료에 있지만 유기 재료도 매우 흥미롭습니다. 또한 데이터베이스에 보고된 자성 재료가 비자성 재료보다 적기 때문에 더 많은 자성 재료를 조사하고 싶습니다. 그런 다음 키랄 대칭이 있는 재료를 살펴보고 싶습니다. 즉, 대칭이지만 왼쪽 버전과 오른쪽 버전이 있다는 점에서 "손으로" 있습니다.

유기 또는 자성 물질 중에 수천 가지 이상의 위상학적 물질이 있을 수 있다고 생각하십니까?

모르겠습니다. 전자 밴드 갭의 크기에 따라 다릅니다. 우리는 볼 것이다!