Układ okresowy materiałów topologicznych

Co to jest materiał topologiczny?

Najciekawszymi materiałami topologicznymi są izolatory topologiczne, czyli materiały izolujące w masie, ale przewodzące na powierzchni. W tych materiałach kanały przewodzące, w których przepływa prąd elektroniczny, są bardzo wytrzymałe. Utrzymują się niezależnie od pewnych zewnętrznych zakłóceń, jakie można napotkać w eksperymentach, takich jak słabe zaburzenie lub wahania temperatury, a także są niezależne od wielkości. Jest to bardzo interesujące, ponieważ oznacza, że ​​materiały te mają stałą rezystancję i stałą przewodność. Tak ścisła kontrola prądu elektronicznego jest przydatna w wielu zastosowaniach.

Jakie są przykłady izolatorów topologicznych?

Najbardziej znanym przykładem jest prawdopodobnie arsenek galu, który jest dwuwymiarowym półprzewodnikiem często używanym w eksperymentach nad całkowitym kwantowym efektem Halla. W nowszej generacji izolatorów topologicznych najbardziej znanym jest selenek bizmutu, jednak nie zyskał on tak szerokiego zainteresowania.

Dlaczego Ty i Twoi współpracownicy zdecydowaliście się na poszukiwanie nowych materiałów topologicznych?

W tamtym czasie na rynku było ich zaledwie kilka i pomyśleliśmy: „OK, jeśli uda nam się opracować metodę, która pozwoli szybko obliczyć lub zdiagnozować topologię, zobaczymy, czy istnieją materiały o bardziej zoptymalizowanych właściwościach”.

Jednym z przykładów zoptymalizowanej właściwości jest elektroniczne pasmo wzbronione. Fakt, że materiały te mają właściwości izolacyjne w masie, oznacza, że ​​w masie istnieje zakres energii, przez który elektrony nie mogą przejść. Ten „zakazany” zakres energii to elektroniczne pasmo wzbronione i elektrony nie mogą przemieszczać się w tym obszarze, mimo że mogą istnieć na powierzchni materiału. Im większe jest elektroniczne pasmo wzbronione materiału, tym lepszy będzie izolator topologiczny.

Jak szukałeś nowych materiałów topologicznych?

Opracowaliśmy algorytm oparty na symetrii krystalicznej materiału, czego wcześniej nie brano pod uwagę. Symetria kryształu jest bardzo ważna w kontaktach z topologią, ponieważ pewne materiały topologiczne i niektóre fazy topologiczne wymagają szczególnej symetrii (lub braku symetrii), aby istnieć. Na przykład całkowity kwantowy efekt Halla w ogóle nie wymaga symetrii, ale do złamania wymaga jednej symetrii, czyli symetrii odwrócenia czasu. Oznacza to, że materiał musi być magnetyczny lub potrzebujemy bardzo dużego zewnętrznego pola magnetycznego.

Jednak inne fazy topologiczne rzeczywiście wymagają symetrii i udało nam się zidentyfikować, jakie to były symetrie. Następnie, gdy już zidentyfikowaliśmy wszystkie symetrie, mogliśmy je sklasyfikować – ponieważ w końcu tak robią fizycy. Klasyfikujemy rzeczy.

Prace nad sformułowaniem teoretycznym rozpoczęliśmy w 2017 roku, a dwa lata później opublikowaliśmy pierwszą pracę związaną z tym sformułowaniem teoretycznym. Ale dopiero teraz w końcu wszystko dokończyliśmy i opublikował to.

Kim byli Twoi współpracownicy w tym przedsięwzięciu i jaki wkład wniosła każda z tych osób?

Zaprojektowałem (i częściowo wykonałem) obliczenia oparte na pierwszych zasadach, w których rozważaliśmy, w jaki sposób symulować rzeczywiste materiały i „diagnozować”, czy mają one właściwości topologiczne. W tym celu wykorzystaliśmy najnowocześniejsze i domowe kody, które mówią nam, jak zachowują się elektrony materiału i jak możemy klasyfikować właściwości topologiczne materiału. Sformułowania teoretycznego i analizy dokonał: Benjamina Wiedera i Luis Elcoro, ponieważ są bardziej zagorzałymi fizykami teoretycznymi. Pomogli w analizie i klasyfikacji faz topologicznych. Innym bardzo ważnym współpracownikiem i liderem tego projektu był Nicolas Regnault; wspólnie zbudowaliśmy stronę internetową oraz zajęliśmy się zaprojektowaniem strony internetowej i bazy danych.

Pomoc otrzymaliśmy również od Stuarta Parkina i Klaudia Felser. Są ekspertami w dziedzinie materiałów, więc mogliby nam doradzić, czy dany materiał jest odpowiedni, czy nie. I wtedy Andriej Bernevig był koordynatorem wszystkiego. Współpracowaliśmy już kilka lat.

A co znalazłeś

Odkryliśmy, że istnieje wiele, wiele materiałów mających właściwości topologiczne – jest ich dziesiątki tysięcy.

Czy byłeś zaskoczony liczbą?

Tak. Bardzo!

Biorąc pod uwagę, jak wszechobecne okazały się te właściwości topologiczne, wydaje się niemal zaskakujące, że byłeś zaskoczony. Dlaczego nikt wcześniej tego nie zauważył?

Nie wiem, dlaczego społeczność całkowicie to przeoczyła, ale przeoczyła to nie tylko nasza społeczność zajmująca się materiałoznawstwem i fizyką materii skondensowanej. Mechanika kwantowa istnieje już od stulecia, a te właściwości topologiczne są subtelne, ale nie są bardzo złożone. Jednak wszyscy mądrzy „ojcowie” mechaniki kwantowej całkowicie przeoczyli to teoretyczne sformułowanie.

Czy ktoś próbował zsyntetyzować te materiały i sprawdzić, czy rzeczywiście zachowują się jak izolatory topologiczne?

Nie wszystkie oczywiście zostały sprawdzone, bo jest ich bardzo dużo. Ale niektórzy z nich tak. W wyniku tej pracy powstały eksperymentalnie nowe materiały topologiczne, takie jak izolator topologiczny wysokiego rzędu Bi4Br4.

Połączenia Baza danych materiałów topologicznych skonstruowany przez Ciebie i Twoich kolegów został opisany jako „układ okresowy materiałów topologicznych”. Jakie właściwości decydują o jego strukturze?

Właściwości topologiczne są związane z prądem elektronowym, który jest globalną właściwością materiału. Jednym z powodów, dla których fizycy mogli wcześniej nie myśleć o topologii, było to, że bardzo skupiali się na właściwościach lokalnych, a nie globalnych. Zatem w tym sensie ważna właściwość jest związana z lokalizacją ładunku i sposobem jego definiowania w przestrzeni rzeczywistej.

Odkryliśmy, że znając symetrie krystaliczne materiału, możemy przewidzieć zachowanie się ładunku lub jego przepływ. I tak moglibyśmy sklasyfikować fazy topologiczne.

Jak działa Baza Danych Materiałów Topologicznych? Co robią badacze, gdy go używają?

Najpierw wprowadzają wzór chemiczny materiału. Na przykład, jeśli interesuje Cię sól, wzór to chlorek sodu. Więc umieszczasz NaCl w bazie danych i klikasz, a następnie pojawiają się wszystkie właściwości. To jest bardzo proste.

Czekaj, czy chcesz przez to powiedzieć, że zwykła sól kuchenna jest materiałem topologicznym?

Tak.

Naprawdę?

Tak.

To jest wspaniałe. Oprócz zaskakiwania ludzi topologicznymi właściwościami znanych materiałów, jaki wpływ będzie miała Twoja baza danych na działanie w terenie?

Mam nadzieję, że pomoże to eksperymentatorom w ustaleniu, jakie materiały powinni hodować. Teraz, gdy przeanalizowaliśmy pełne spektrum właściwości materiałów, eksperymentatorzy powinni być w stanie powiedzieć: „OK, ten materiał znajduje się w reżimie transportu elektronów, o którym wiemy, że nie jest dobry, ale jeśli dodam do niego trochę elektronów, to osiągnąć bardzo interesujący reżim.” Mamy więc nadzieję, że w pewnym sensie pomoże to eksperymentatorom w znalezieniu dobrych materiałów.

Ostatnio wiele uwagi poświęcono materiałom topologicznym ze względu na możliwe powiązanie z obliczeniami kwantowymi. Czy jest to dla Ciebie duża motywacja do pracy?

To jest ze sobą powiązane, ale każda dziedzina ma inne gałęzie i powiedziałbym, że nasza praca dotyczy innej dziedziny. Oczywiście potrzebny jest materiał topologiczny jako platforma do opracowania topologicznego komputera kwantowego przy użyciu dowolnych zaproponowanych możliwych kubitów (bitów kwantowych), więc to, co zrobiliśmy, jest w tym celu ważne. Jednak opracowanie topologicznego komputera kwantowego będzie wymagało znacznie więcej pracy nad projektowaniem materiałów, ponieważ wymiar materiału odgrywa ważną rolę. Patrzyliśmy na trzy wymiary i mogło być tak, że w przypadku platform obliczeń kwantowych musielibyśmy skupić się na systemach 2D.

Istnieją jednak inne zastosowania. Bazę danych można wykorzystać na przykład do znalezienia materiałów do ogniw słonecznych lub do katalizy, detektorów lub urządzeń elektronicznych o niskim rozpraszaniu. Oprócz super egzotycznych zastosowań, bardzo ważne są również te codzienne możliwości. Ale naszą prawdziwą motywacją do pracy było zrozumienie fizyki topologii.

Wszechobecność materiałów topologicznych ujawniona w katalogach zawierających tysiące substancji

Co dalej z Tobą i Twoimi współpracownikami?

Chciałbym przeprowadzić badania nad materiałami organicznymi. Aktualna baza danych koncentruje się na materiałach nieorganicznych, ponieważ za punkt wyjścia przyjęliśmy bazę danych o strukturze kryształów nieorganicznych, ale materiały organiczne również są bardzo interesujące. Chciałbym także zbadać więcej materiałów magnetycznych, ponieważ w bazie danych jest mniej materiałów magnetycznych niż niemagnetycznych. Następnie chcę przyjrzeć się materiałom, które mają symetrię chiralną – to znaczy są symetryczne, ale „przekazane” w tym sensie, że mają wersję lewą i prawą.

Czy sądzisz, że wśród materiałów organicznych i magnetycznych mogłyby istnieć tysiące innych materiałów topologicznych?

Nie wiem. Zależy to od wielkości elektronicznego pasma wzbronionego. Zobaczymy!