Een periodiek systeem voor topologische materialen

Wat is een topologisch materiaal?

De meest interessante topologische materialen zijn topologische isolatoren, dit zijn materialen die in de bulk isolerend zijn, maar aan het oppervlak geleiden. In deze materialen zijn de geleidende kanalen waar de elektronische stroom vloeit zeer robuust. Ze blijven bestaan, onafhankelijk van bepaalde externe verstoringen die je bij experimenten kunt tegenkomen, zoals zwakke wanorde of temperatuurschommelingen, en ze zijn ook onafhankelijk van de grootte. Dit is erg interessant omdat het betekent dat deze materialen een constante weerstand en een constante geleidbaarheid hebben. Het hebben van een dergelijke strakke controle van de elektronische stroom is voor veel toepassingen nuttig.

Wat zijn enkele voorbeelden van topologische isolatoren?

Het bekendste voorbeeld is waarschijnlijk galliumarsenide, een tweedimensionale halfgeleider die vaak wordt gebruikt in experimenten met het integer quantum Hall-effect. In de nieuwere generatie topologische isolatoren is bismutselenide de bekendste, maar dit heeft niet zoveel brede aandacht gekregen.

Waarom besloten jij en je collega's op zoek te gaan naar nieuw topologisch materiaal?

Destijds waren er nog maar een paar op de markt, en we dachten: “Oké, als we een methode kunnen ontwikkelen die de topologie snel kan berekenen of diagnosticeren, kunnen we zien of er materialen zijn met meer geoptimaliseerde eigenschappen.”

Een voorbeeld van een geoptimaliseerde eigenschap is de elektronische bandafstand. Het feit dat deze materialen in de bulk isolerend zijn, betekent dat er in de bulk een reeks energieën is waar de elektronen niet doorheen kunnen. Dit ‘verboden’ energiebereik is de elektronische bandafstand, en elektronen kunnen zich niet in dat gebied verplaatsen, ook al kunnen ze op het oppervlak van het materiaal voorkomen. Hoe groter de elektronische bandafstand van het materiaal is, des te beter zal het een topologische isolator zijn.

Hoe ben je te werk gegaan op zoek naar nieuwe topologische materialen?

We hebben een algoritme ontwikkeld dat gebaseerd is op de kristallijne symmetrieën van een materiaal, iets waar nog niet eerder rekening mee werd gehouden. De symmetrie van het kristal is erg belangrijk bij het omgaan met topologie, omdat bepaalde topologische materialen en sommige topologische fasen een bepaalde symmetrie (of een gebrek aan symmetrie) nodig hebben om te bestaan. Het gehele kwantum Hall-effect heeft bijvoorbeeld helemaal geen symmetrieën nodig, maar er is wel één symmetrie nodig om te worden verbroken, namelijk de tijdomkeersymmetrie. Dat betekent dat het materiaal magnetisch moet zijn, of dat we een heel groot extern magnetisch veld nodig hebben.

Maar andere topologische fasen hebben wel symmetrieën nodig, en we zijn erin geslaagd te identificeren welke symmetrieën dat waren. Toen we eenmaal alle symmetrieën hadden geïdentificeerd, konden we ze classificeren – want uiteindelijk is dat wat natuurkundigen doen. Wij classificeren dingen.

We zijn in 2017 begonnen met het werken aan de theoretische formulering en twee jaar later publiceerden we het eerste artikel over deze theoretische formulering. Maar het is pas nu dat we eindelijk alles hebben voltooid en publiceerde het.

Wie waren uw medewerkers in deze inspanning en hoe heeft ieder persoon bijgedragen?

Ik heb de basisberekeningen ontworpen (en gedeeltelijk uitgevoerd) waarin we hebben overwogen hoe we echte materialen konden simuleren en hoe we konden ‘diagnosticeren’ of ze topologische eigenschappen hadden. Daarvoor hebben we gebruik gemaakt van state-of-the-art codes en zelfgemaakte codes die ons vertellen hoe de elektronen van het materiaal zich gedragen en hoe we de topologische eigenschappen van het materiaal kunnen classificeren. De theoretische formulering en analyse werd gedaan door Benjamin Wieder en Luis Elcoro omdat ze meer hardcore theoretische natuurkundigen zijn. Ze hielpen met het analyseren en classificeren van de topologische fasen. Een andere zeer belangrijke bijdrager en de leidende man van dit project was Nicolaas Regnault; we bouwden samen de website en verzorgden het ontwerp van de website en de database.

Wij hadden ook hulp van Stuart Parkin en Claudia Felser. Het zijn materiaalexperts, dus zij konden ons adviseren of een materiaal geschikt was of niet. En dan Andrej Bernevig was de coördinator van alles. We werkten al een aantal jaren samen.

En wat heb je gevonden?

Wat we ontdekten is dat er heel veel materialen zijn die topologische eigenschappen hebben – tienduizenden daarvan.

Was je verrast door het aantal?

Ja. Erg!

Gezien hoe alomtegenwoordig deze topologische eigenschappen bleken te zijn, lijkt het bijna verrassend dat u verrast was. Waarom was het niemand eerder opgevallen?

Ik weet niet waarom de gemeenschap dit volledig heeft gemist, maar het is niet alleen onze gemeenschap binnen de materiaalkunde en de fysica van de gecondenseerde materie die het heeft gemist. Kwantummechanica bestaat al een eeuw en deze topologische eigenschappen zijn subtiel, maar niet erg complex. Toch hebben alle slimme ‘vaders’ van de kwantummechanica deze theoretische formulering volledig gemist.

Heeft iemand geprobeerd deze materialen te synthetiseren en te controleren of ze zich inderdaad als topologische isolatoren gedragen?

Natuurlijk zijn ze niet allemaal gecontroleerd, omdat het er zo veel zijn. Maar sommigen van hen hebben dat wel gedaan. Er zijn nieuwe topologische materialen die experimenteel zijn gemaakt na dit werk, zoals de hoogwaardige topologische isolator Bi4Br4.

De Database voor topologische materialen die jij en je collega's hebben geconstrueerd, is beschreven als "een periodiek systeem voor topologische materialen". Welke eigenschappen bepalen de structuur?

De topologische eigenschappen houden verband met de elektronische stroom, een globale eigenschap van het materiaal. Een van de redenen waarom natuurkundigen misschien niet eerder over topologie hebben nagedacht, is dat ze zich erg op lokale eigenschappen concentreerden, in plaats van op mondiale eigenschappen. In die zin houdt de belangrijke eigenschap dus verband met de lokalisatie van de lading en hoe de lading in de werkelijke ruimte wordt gedefinieerd.

Wat we ontdekten is dat als we de kristallijne symmetrieën van het materiaal kennen, we kunnen anticiperen op het gedrag van de lading. En zo kunnen we de topologische fasen classificeren.

Hoe werkt de Topologische Materialendatabank? Wat doen onderzoekers als ze het gebruiken?

Eerst voeren ze de chemische formule van het materiaal in. Als u bijvoorbeeld geïnteresseerd bent in zout, is de formule natriumchloride. Dus je stopt NaCl in de database en je klikt, en dan verschijnen alle eigenschappen. Het is heel simpel.

Wacht, zeg je dat gewoon tafelzout een topologisch materiaal is?

Ja.

Echt waar?

Ja.

Dat is geweldig. Afgezien van het verrassen van mensen met de topologische eigenschappen van bekende materialen, welke impact hoopt u dat uw database op het veld zal hebben?

Ik hoop dat het experimentele onderzoekers zal helpen erachter te komen welke materialen ze moeten kweken. Nu we het volledige spectrum van alle materiaaleigenschappen hebben geanalyseerd, zouden experimentatoren moeten kunnen zeggen: “Oké, dit materiaal bevindt zich in een elektronentransportregime waarvan we weten dat het niet goed is, maar als ik het met wat elektronen vermeng, dan zullen we dat doen.” een zeer interessant regime bereiken.” We hopen dus in zekere zin dat het experimentele onderzoekers zal helpen goede materialen te vinden.

Er is de laatste tijd veel aandacht voor topologische materialen vanwege een mogelijke link met quantum computing. Is dat een grote motivator in uw werk?

Het hangt met elkaar samen, maar elk vakgebied heeft verschillende branches, en ik zou zeggen dat ons werk zich in een andere branche bevindt. Natuurlijk heb je topologisch materiaal nodig als platform om een ​​topologische kwantumcomputer te ontwikkelen met behulp van een van de mogelijke qubits (kwantumbits) die zijn voorgesteld, dus wat we deden is daarvoor belangrijk. Maar het ontwikkelen van een topologische kwantumcomputer zal veel meer werk op het gebied van materiaalontwerp vergen, omdat de dimensie van het materiaal een belangrijke rol speelt. We keken naar drie dimensies, en het zou kunnen dat we ons voor kwantumcomputerplatforms zouden moeten concentreren op 2D-systemen.

Er zijn echter nog andere toepassingen. Je kunt de database gebruiken om bijvoorbeeld materialen te vinden voor zonnecellen, of voor katalyse, detectoren of elektronische apparaten met een lage dissipatie. Naast de super-exotische toepassingen zijn deze dagelijkse mogelijkheden ook erg belangrijk. Maar onze echte motivatie voor het werk was het begrijpen van de fysica van de topologie.

Alomtegenwoordigheid van topologische materialen onthuld in catalogi die duizenden stoffen bevatten

Wat is de toekomst voor u en uw medewerkers?

Ik wil graag onderzoek doen naar organische materialen. De focus in de huidige database ligt op anorganische materialen omdat we de Anorganic Crystal Structure Database als uitgangspunt hebben genomen, maar organische materialen zijn ook erg interessant. Ik zou ook graag meer magnetische materialen willen onderzoeken, omdat er minder magnetische materialen in de database worden gerapporteerd dan niet-magnetische materialen. En dan wil ik kijken naar materialen die chirale symmetrieën hebben – dat wil zeggen, ze zijn symmetrisch, maar “ingeleverd” in de zin dat ze een linkerversie en een rechterversie hebben.

Denk je dat er tussen de organische en magnetische materialen nog duizenden topologische materialen kunnen zijn?

Ik weet het niet. Het hangt af van de grootte van de elektronische bandafstand. We zullen zien!