Et periodisk system for topologiske materialer

Hva er et topologisk materiale?

De mest interessante topologiske materialene er topologiske isolatorer, som er materialer som isolerer i bulk, men leder på overflaten. I disse materialene er de ledende kanalene der den elektroniske strømmen flyter svært robuste. De vedvarer uavhengig av noen ytre forstyrrelser som man kan ha i eksperimenter, for eksempel svak lidelse eller temperatursvingninger, og de er også uavhengige av størrelse. Dette er veldig interessant fordi det betyr at disse materialene har en konstant motstand, en konstant ledningsevne. Å ha så tett kontroll over den elektroniske strømmen er nyttig for mange bruksområder.

Hva er noen eksempler på topologiske isolatorer?

Det mest kjente eksemplet er trolig galliumarsenid, som er en todimensjonal halvleder som ofte brukes i eksperimenter på heltallskvante-Hall-effekten. I den nyere generasjonen topologiske isolatorer er den mest kjente vismutselenid, men dette har ikke fått like stor oppmerksomhet.

Hvorfor bestemte du og kollegene dine seg for å søke etter nye topologiske materialer?

På den tiden var det bare noen få av dem på markedet, og vi tenkte: "Ok, hvis vi kan utvikle en metode som kan beregne eller diagnostisere topologi raskt, kan vi se om det finnes materialer som har mer optimaliserte egenskaper."

Et eksempel på en optimalisert egenskap er det elektroniske båndgapet. Det faktum at disse materialene er isolerende i bulken betyr at i bulken er det en rekke energier hvor elektronene ikke kan passere gjennom. Dette "forbudte" energiområdet er det elektroniske båndgapet, og elektroner kan ikke reise i det området selv om de kan eksistere på materialets overflate. Jo større materialets elektroniske båndgap er, jo bedre en topologisk isolator vil det være.

Hvordan gikk du frem for å lete etter nye topologiske materialer?

Vi utviklet en algoritme basert på et materiales krystallinske symmetrier, noe som ikke ble tatt i betraktning før. Symmetrien til krystallen er veldig viktig når man har å gjøre med topologi fordi visse topologiske materialer og noen topologiske faser trenger en spesiell symmetri (eller mangel på symmetri) for å eksistere. For eksempel trenger heltallskvante-Hall-effekten ingen symmetrier i det hele tatt, men den trenger en symmetri for å brytes, som er tidsreverseringssymmetri. Det betyr at materialet må være magnetisk, eller vi trenger et veldig stort eksternt magnetfelt.

Men andre topologiske faser trenger symmetrier, og vi klarte å identifisere hvilke symmetrier de var. Så, når vi hadde identifisert alle symmetriene, kunne vi klassifisere dem – for til syvende og sist er det det fysikere gjør. Vi klassifiserer ting.

Vi begynte å jobbe med den teoretiske formuleringen i 2017, og to år senere publiserte vi den første artikkelen knyttet til denne teoretiske formuleringen. Men det er først nå vi endelig har fullført alt og publiserte den.

Hvem var dine samarbeidspartnere i dette arbeidet, og hvordan bidro hver person?

Jeg designet (og delvis utførte) de første prinsippberegningene der vi vurderte hvordan vi skulle simulere virkelige materialer og "diagnostisere" om de hadde topologiske egenskaper. Til det brukte vi toppmoderne koder og hjemmelagde koder som forteller oss hvordan materialets elektroner oppfører seg og hvordan vi kan klassifisere materialets topologiske egenskaper. Den teoretiske formuleringen og analysen er gjort av Benjamin Wieder og Luis Elcoro fordi de er mer hardcore teoretiske fysikere. De hjalp til med å analysere og klassifisere de topologiske fasene. En annen svært viktig bidragsyter og den ledende fyren i dette prosjektet var Nicolas Regnault; vi bygget opp nettsiden sammen og tok oss av utformingen av nettsiden og databasen.

Vi hadde også hjelp fra Stuart Parkin og Claudia Felser. De er materialeksperter, så de kunne gi oss råd om hvorvidt et materiale var egnet eller ikke. Og så Andrei Bernevig var koordinator for alt. Vi har jobbet sammen i flere år allerede.

Og hva fant du?

Det vi fant er at det er mange, mange materialer som har topologiske egenskaper - titusenvis av dem.

Ble du overrasket over antallet?

Ja. Veldig!

Gitt hvor allestedsnærværende disse topologiske egenskapene viste seg å være, virker det nesten overraskende at du ble overrasket. Hvorfor hadde ingen lagt merke til det før?

Jeg vet ikke hvorfor det ble savnet fullstendig av samfunnet, men det er ikke bare samfunnet vårt innen materialvitenskap og fysikk av kondensert materie som savnet det. Kvantemekanikk har eksistert i et århundre allerede, og disse topologiske egenskapene er subtile, men de er ikke veldig komplekse. Likevel savnet alle kvantemekanikkens smarte "fedre" denne teoretiske formuleringen.

Har noen prøvd å syntetisere disse materialene og sjekke om de faktisk oppfører seg som topologiske isolatorer?

Ikke alle har blitt sjekket, selvfølgelig, fordi det er så mange. Men noen av dem har. Det er nye topologiske materialer som er blitt laget eksperimentelt etter dette arbeidet, som den høye ordens topologiske isolatoren Bi4Br4.

De Topologisk materialedatabase du og dine kolleger konstruert har blitt beskrevet som "et periodisk system for topologiske materialer". Hvilke egenskaper bestemmer strukturen?

De topologiske egenskapene er relatert til den elektroniske strømmen, som er en global egenskap ved materialet. En av grunnene til at fysikere kanskje ikke har tenkt på topologi før, er at de var veldig fokusert på lokale egenskaper, snarere enn globale. Så i denne forstand er den viktige egenskapen knyttet til lokaliseringen av ladningen og hvordan ladningen er definert i det virkelige rommet.

Det vi fant er at hvis vi kjenner materialets krystallinske symmetrier, kan vi forutse hvordan ladningens oppførsel kommer til å være eller flyte. Og det er slik vi kan klassifisere de topologiske fasene.

Hvordan fungerer Topological Materials Database? Hva gjør forskere når de bruker det?

Først går de inn i materialets kjemiske formel. For eksempel, hvis du er interessert i salt, er formelen natriumklorid. Så du legger NaCl i databasen og klikker, og så vises alle egenskapene. Det er veldig enkelt.

Vent, sier du at vanlig bordsalt er et topologisk materiale?

Ja.

Virkelig?

Ja.

Det er utrolig. Bortsett fra å overraske folk med de topologiske egenskapene til kjente materialer, hvilken innvirkning håper du databasen din vil ha på feltet?

Jeg håper det kommer til å hjelpe eksperimentelle å finne ut hvilke materialer de bør dyrke. Nå som vi har analysert hele spekteret av alle materialegenskaper, burde eksperimentalister kunne si: «Ok, dette materialet er i et elektrontransportregime som vi vet ikke er bra, men hvis jeg doper det med noen elektroner, vil vi nå et veldig interessant regime." Så vi håper på en måte at det vil hjelpe eksperimentelle å finne gode materialer.

Mye oppmerksomhet har kommet til topologiske materialer nylig på grunn av en mulig kobling til kvanteberegning. Er det en stor motivator i arbeidet ditt?

Det er relatert, men hvert felt har forskjellige grener, og jeg vil si at arbeidet vårt er i en annen gren. Selvfølgelig trenger du et topologisk materiale som en plattform for å utvikle en topologisk kvantedatamaskin ved å bruke noen av de mulige kvantebitene (kvantebitene) som har blitt foreslått, så det vi gjorde er viktig for det. Men å utvikle en topologisk kvantedatamaskin vil kreve mye mer arbeid med materialdesign fordi materialets dimensjon spiller en viktig rolle. Vi så på tre dimensjoner, og det kan være at vi for kvantedatabehandlingsplattformer må fokusere på 2D-systemer.

Det finnes imidlertid andre applikasjoner. Du kan bruke databasen til å finne materialer for for eksempel solceller, eller for katalyse, detektorer eller elektroniske enheter med lav spredning. Utover de supereksotiske bruksområdene, er disse daglige mulighetene også svært viktige. Men vår virkelige motivasjon for arbeidet var å forstå topologiens fysikk.

Ubiquity av topologiske materialer avslørt i kataloger som inneholder tusenvis av stoffer

Hva er det neste for deg og dine samarbeidspartnere?

Jeg vil gjerne forske på organiske materialer. Fokuset i den nåværende databasen er på uorganiske materialer fordi vi tok utgangspunkt i Uorganisk Crystal Structure Database, men organiske materialer er også veldig interessante. Jeg vil også undersøke flere magnetiske materialer, fordi det er rapportert færre magnetiske materialer i databasen enn ikke-magnetiske. Og så vil jeg se på materialer som har kirale symmetrier - det vil si at de er symmetriske, men "levert" i at de har en venstre versjon og en høyre versjon.

Tror du det kan være tusenvis flere topologiske materialer der ute blant de organiske eller magnetiske materialene?

Jeg vet ikke. Det avhenger av størrelsen på det elektroniske båndgapet. Vi får se!