Un tabel periodic pentru materiale topologice

Ce este un material topologic?

Cele mai interesante materiale topologice sunt izolatorii topologici, care sunt materiale care sunt izolante în vrac, dar conducătoare la suprafață. În aceste materiale, canalele conductoare în care curge curentul electronic sunt foarte robuste. Ele persistă independent de unele tulburări externe pe care le pot avea cineva în experimente, cum ar fi dezordinea slabă sau fluctuațiile de temperatură și sunt, de asemenea, independente de dimensiune. Acest lucru este foarte interesant pentru că înseamnă că aceste materiale au o rezistență constantă, o conductivitate constantă. Un control atât de strict al curentului electronic este util pentru multe aplicații.

Care sunt câteva exemple de izolatori topologici?

Cel mai cunoscut exemplu este probabil arseniura de galiu, care este un semiconductor bidimensional care este adesea folosit în experimente cu efectul Hall cuantic întreg. În noua generație de izolatori topologici, cel mai cunoscut este seleniura de bismut, dar aceasta nu a câștigat atât de multă atenție pe scară largă.

De ce ați decis tu și colegii tăi să cauți noi materiale topologice?

La acea vreme, erau doar câteva dintre ele pe piață și ne-am gândit: „Bine, dacă putem dezvolta o metodă care poate calcula sau diagnostica topologia rapid, putem vedea dacă există materiale care au proprietăți mai optimizate.”

Un exemplu de proprietate optimizată este band gap-ul electronic. Faptul că aceste materiale sunt izolante în vrac înseamnă că în vrac, există o gamă de energii prin care electronii nu pot trece. Acest interval de energie „interzis” este banda interzisă electronică, iar electronii nu pot călători în acea regiune, chiar dacă pot exista pe suprafața materialului. Cu cât banda interzisă electronică a materialului este mai mare, cu atât va fi un izolator topologic mai bun.

Cum ați căutat noi materiale topologice?

Am dezvoltat un algoritm bazat pe simetriile cristaline ale unui material, ceea ce nu a fost luat în considerare înainte. Simetria cristalului este foarte importantă atunci când se ocupă de topologie, deoarece anumite materiale topologice și unele faze topologice au nevoie de o anumită simetrie (sau lipsă de simetrie) pentru a exista. De exemplu, efectul Hall cuantic întreg nu necesită deloc simetrii, dar are nevoie de o simetrie pentru a fi ruptă, care este simetria inversă în timp. Asta înseamnă că materialul trebuie să fie magnetic sau avem nevoie de un câmp magnetic extern foarte mare.

Dar alte faze topologice au nevoie de simetrii și am reușit să identificăm ce simetrii au fost. Apoi, odată ce am avut toate simetriile identificate, le-am putea clasifica – pentru că, în cele din urmă, asta fac fizicienii. Clasificăm lucrurile.

Am început să lucrăm la formularea teoretică în 2017, iar doi ani mai târziu, am publicat prima lucrare legată de această formulare teoretică. Dar abia acum am terminat în sfârșit totul și a publicat-o.

Cine au fost colaboratorii tăi în acest efort și cum a contribuit fiecare persoană?

Am proiectat (și, parțial, am efectuat) calculele de prim-principii în care am luat în considerare cum să simulăm materialele reale și să „diagnosticam” dacă au proprietăți topologice. Pentru aceasta, am folosit coduri de ultimă generație și coduri de casă care ne spun cum se comportă electronii materialului și cum putem clasifica proprietățile topologice ale materialului. Formularea teoretică și analiza a fost realizată de Benjamin Wieder și Luis Elcoro pentru că sunt fizicieni teoreticieni mai îndrăzneți. Au ajutat la analiza și clasificarea fazelor topologice. Un alt contribuitor foarte important și tipul conducător al acestui proiect a fost Nicolas Regnault; am construit împreună site-ul web și ne-am ocupat de proiectarea site-ului și a bazei de date.

Am avut și ajutor de la Stuart Parkin și Claudia Felser. Sunt experți în materiale, așa că ne pot da sfaturi dacă un material este potrivit sau nu. Și apoi Andrei Bernevig a fost coordonatorul tuturor. Lucram împreună de câțiva ani deja.

Si ce ai gasit?

Ceea ce am descoperit este că există multe, multe materiale care au proprietăți topologice - zeci de mii dintre ele.

Ai fost surprins de număr?

Da. Foarte!

Având în vedere cât de omniprezente s-au dovedit a fi aceste proprietăți topologice, pare aproape surprinzător că ați fost surprins. De ce nu observase nimeni înainte?

Nu știu de ce a fost ratat complet de comunitate, dar nu numai comunitatea noastră din știința materialelor și fizica materiei condensate a ratat-o. Mecanica cuantică există deja de un secol, iar aceste proprietăți topologice sunt subtile, dar nu sunt foarte complexe. Cu toate acestea, toți „părinții” inteligenți ai mecanicii cuantice au ratat complet această formulare teoretică.

A încercat cineva să sintetizeze aceste materiale și să verifice dacă se comportă într-adevăr ca izolatori topologici?

Nu toate au fost verificate, desigur, pentru că sunt atât de multe. Dar unii dintre ei au. Există noi materiale topologice care au fost create experimental în urma acestei lucrări, cum ar fi izolatorul topologic de ordin înalt Bi4Br4.

Baza de date de materiale topologice dvs. și colegii dvs. construit a fost descrisă ca „un tabel periodic pentru materiale topologice”. Ce proprietăți îi determină structura?

Proprietățile topologice sunt legate de curentul electronic, care este o proprietate globală a materialului. Unul dintre motivele pentru care fizicienii ar putea să nu se fi gândit la topologie înainte este că s-au concentrat foarte mult pe proprietățile locale, mai degrabă decât pe cele globale. Deci, în acest sens, proprietatea importantă este legată de localizarea sarcinii și de modul în care sarcina este definită în spațiul real.

Ceea ce am descoperit este că, dacă cunoaștem simetriile cristaline ale materialului, putem anticipa care va fi comportamentul sarcinii sau care va curge. Și așa am putea clasifica fazele topologice.

Cum funcționează baza de date de materiale topologice? Ce fac cercetătorii când îl folosesc?

În primul rând, intră în formula chimică a materialului. De exemplu, dacă sunteți interesat de sare, formula este clorură de sodiu. Deci pui NaCl în baza de date și dai clic, apoi apar toate proprietățile. E foarte simplu.

Stai, vrei să spui că sarea obișnuită de masă este un material topologic?

Da.

Serios?

Da.

Asta e uimitor. În afară de a surprinde oamenii cu proprietățile topologice ale materialelor familiare, ce impact sperați că va avea baza de date asupra terenului?

Sper că îi va ajuta pe experimentați să-și dea seama ce materiale ar trebui să crească. Acum că am analizat întregul spectru al tuturor proprietăților materialelor, experimentatorii ar trebui să poată spune: „Bine, acest material se află într-un regim de transport de electroni despre care știm că nu este bun, dar dacă îl dop cu niște electroni, atunci vom ajunge la un regim foarte interesant.” Așa că sperăm, într-un fel, că îi va ajuta pe experimentați să găsească materiale bune.

Recent, s-a acordat multă atenție materialelor topologice din cauza unei posibile legături cu calculul cuantic. Este acesta un mare motivator în munca ta?

Are legătură, dar fiecare domeniu are ramuri diferite și aș spune că munca noastră este într-o ramură diferită. Desigur, aveți nevoie de un material topologic ca platformă pentru a dezvolta un computer cuantic topologic folosind oricare dintre posibilii qubiți (biți cuantici) care au fost propuși, deci ceea ce am făcut este important pentru asta. Dar dezvoltarea unui computer cuantic topologic va necesita mult mai multă muncă în proiectarea materialelor, deoarece dimensiunea materialului joacă un rol important. Ne uitam la trei dimensiuni și s-ar putea ca, pentru platformele de calcul cuantic, ar trebui să ne concentrăm asupra sistemelor 2D.

Există și alte aplicații, totuși. Puteți utiliza baza de date pentru a găsi materiale pentru celule solare, de exemplu, sau pentru cataliză, detectoare sau dispozitive electronice cu disipare scăzută. Dincolo de aplicațiile super-exotice, aceste posibilități de zi cu zi sunt și ele foarte importante. Dar adevărata noastră motivație pentru lucru a fost să înțelegem fizica topologiei.

Ubicuitatea materialelor topologice relevată în cataloage care conțin mii de substanțe

Ce urmează pentru tine și colaboratorii tăi?

Aș dori să fac cercetări despre materiale organice. Accentul în baza de date actuală se pune pe materialele anorganice, deoarece am luat ca punct de plecare Baza de date privind structura cristalină anorganică, dar și materialele organice sunt foarte interesante. De asemenea, aș dori să investighez mai multe materiale magnetice, deoarece în baza de date sunt raportate mai puține materiale magnetice decât cele nemagnetice. Și apoi vreau să mă uit la materiale care au simetrii chirale – adică sunt simetrice, dar „înmânate” prin faptul că au o versiune stângă și una dreaptă.

Crezi că ar putea exista mii de mai multe materiale topologice printre materialele organice sau magnetice?

Nu știu. Depinde de dimensiunea benzii interzise electronice. Vom vedea!