Периодическая таблица топологических материалов

Что такое топологический материал?

Наиболее интересными топологическими материалами являются топологические изоляторы, материалы, изолирующие в объеме, но проводящие на поверхности. В этих материалах проводящие каналы, по которым протекает электронный ток, очень прочны. Они сохраняются независимо от некоторых внешних возмущений, которые могут иметь место в экспериментах, таких как слабый беспорядок или колебания температуры, а также они не зависят от размера. Это очень интересно, потому что это означает, что эти материалы имеют постоянное сопротивление, постоянную проводимость. Такой жесткий контроль электронного тока полезен для многих приложений.

Каковы некоторые примеры топологических изоляторов?

Наиболее известным примером, вероятно, является арсенид галлия, представляющий собой двумерный полупроводник, который часто используется в экспериментах по целочисленному квантовому эффекту Холла. Из топологических изоляторов нового поколения наиболее известен селенид висмута, но он не получил такого широкого распространения.

Почему вы и ваши коллеги решили заняться поиском новых топологических материалов?

В то время их было всего несколько на рынке, и мы подумали: «Хорошо, если мы сможем разработать метод, который может быстро вычислять или диагностировать топологию, мы сможем увидеть, есть ли материалы с более оптимизированными свойствами».

Одним из примеров оптимизированного свойства является электронная запрещенная зона. Тот факт, что эти материалы являются изолирующими в объеме, означает, что в объеме существует диапазон энергий, через который электроны не могут пройти. Этот «запрещенный» диапазон энергий представляет собой электронную запрещенную зону, и электроны не могут перемещаться в этой области, даже если они могут существовать на поверхности материала. Чем больше ширина запрещенной зоны материала, тем лучше он будет топологическим изолятором.

Как вы подошли к поиску новых топологических материалов?

Мы разработали алгоритм, основанный на кристаллической симметрии материала, которая ранее не принималась во внимание. Симметрия кристалла очень важна при работе с топологией, потому что для существования некоторых топологических материалов и некоторых топологических фаз требуется определенная симметрия (или отсутствие симметрии). Например, целочисленный квантовый эффект Холла вообще не нуждается в симметрии, но ему нужно, чтобы была нарушена одна симметрия, а именно симметрия обращения времени. Это означает, что материал должен быть магнитным, или нам нужно очень большое внешнее магнитное поле.

Но другие топологические фазы действительно нуждаются в симметрии, и нам удалось определить, какие именно симметрии это были. Затем, когда мы идентифицировали все симметрии, мы могли их классифицировать — потому что, в конце концов, именно этим занимаются физики. Мы классифицируем вещи.

Мы начали работать над теоретической формулировкой в ​​2017 году, а два года спустя опубликовали первую статью, связанную с этой теоретической формулировкой. Но только сейчас мы наконец все доделали и опубликовал это.

Кто был вашим сотрудником в этом начинании и какой вклад каждый из них внес?

Я разработал (и частично выполнил) расчеты из первых принципов, в которых мы рассмотрели, как моделировать реальные материалы и «диагностировать», обладают ли они топологическими свойствами. Для этого мы использовали современные коды и самодельные коды, которые говорят нам, как ведут себя электроны материала и как мы можем классифицировать топологические свойства материала. Теоретическая формулировка и анализ были выполнены Бенджамин Видер и Луис Элькоро, потому что они более хардкорные физики-теоретики. Они помогли с анализом и классификацией топологических фаз. Другим очень важным участником и ведущим парнем этого проекта был Николя Рено; мы создали веб-сайт вместе и позаботились о разработке веб-сайта и базы данных.

Нам также помогали Стюарт Паркин и Клаудия Фельсер. Они являются экспертами по материалам, поэтому они могут дать нам совет о том, подходит материал или нет. А потом Андрей Берневиг был координатором всего. Мы работали вместе уже несколько лет.

И что вы нашли?

Мы обнаружили, что существует очень много материалов, обладающих топологическими свойствами, — десятки тысяч.

Вас удивила цифра?

Да. Очень!

Учитывая, насколько распространенными оказались эти топологические свойства, кажется почти удивительным, что вы были удивлены. Почему никто не заметил раньше?

Я не знаю, почему это было полностью упущено сообществом, но не только наше сообщество в области материаловедения и физики конденсированного состояния пропустило это. Квантовая механика существует уже столетие, и эти топологические свойства тонкие, но не очень сложные. Однако все умные «отцы» квантовой механики полностью упустили из виду эту теоретическую формулировку.

Кто-нибудь пробовал синтезировать эти материалы и проверить, действительно ли они ведут себя как топологические изоляторы?

Конечно, не все они проверены, потому что их так много. Но у некоторых есть. После этой работы были экспериментально созданы новые топологические материалы, такие как топологический изолятор высокого порядка Bi4Br4.

Ассоциация База данных топологических материалов Вы и ваши коллеги создали то, что было описано как «таблица Менделеева для топологических материалов». Какие свойства определяют его структуру?

Топологические свойства связаны с электронным током, который является глобальным свойством материала. Одна из причин, по которой физики, возможно, раньше не задумывались о топологии, заключается в том, что они были очень сосредоточены на локальных свойствах, а не на глобальных. Так что в этом смысле важное свойство связано с локализацией заряда и тем, как заряд определяется в реальном пространстве.

Мы обнаружили, что если мы знаем кристаллическую симметрию материала, мы можем предвидеть, каким будет поведение или течение заряда. Именно так мы могли бы классифицировать топологические фазы.

Как работает база данных топологических материалов? Что делают исследователи, когда используют его?

Во-первых, они входят в химическую формулу материала. Например, если вас интересует соль, формула — хлорид натрия. Итак, вы помещаете NaCl в базу данных и нажимаете, после чего появляются все свойства. Это очень просто.

Подождите, вы хотите сказать, что обычная поваренная соль — это топологический материал?

Да.

В самом деле?

Да.

Это восхитительно. Помимо удивления людей топологическими свойствами знакомых материалов, какое влияние, по вашему мнению, окажет ваша база данных на поле?

Надеюсь, это поможет экспериментаторам понять, какие материалы им следует выращивать. Теперь, когда мы проанализировали полный спектр всех свойств материала, экспериментаторы должны быть в состоянии сказать: «Хорошо, этот материал находится в режиме переноса электронов, что, как мы знаем, не очень хорошо, но если я добавлю в него немного электронов, то мы достичь очень интересного режима». Так что мы надеемся, в некотором смысле, что это поможет экспериментаторам найти хорошие материалы.

В последнее время большое внимание уделяется топологическим материалам из-за возможной связи с квантовыми вычислениями. Это большой мотиватор в вашей работе?

Это взаимосвязано, но в каждой области есть разные отрасли, и я бы сказал, что наша работа находится в другой отрасли. Конечно, вам нужен топологический материал в качестве платформы для разработки топологического квантового компьютера с использованием любого из возможных кубитов (квантовых битов), которые были предложены, поэтому то, что мы сделали, важно для этого. Но разработка топологического квантового компьютера потребует гораздо больше работы над дизайном материалов, потому что размер материала играет важную роль. Мы рассматривали три измерения, и, возможно, для платформ квантовых вычислений нам нужно было бы сосредоточиться на 2D-системах.

Хотя есть и другие приложения. Вы можете использовать базу данных, чтобы найти материалы для солнечных элементов, например, или для катализа, детекторов или электронных устройств с малым рассеиванием. Помимо сверхэкзотических приложений, эти повседневные возможности также очень важны. Но нашей настоящей мотивацией для работы было понимание физики топологии.

Вездесущность топологических материалов обнаружена в каталогах, содержащих тысячи веществ

Что дальше для вас и ваших сотрудников?

Я хотел бы заняться исследованиями органических материалов. Основное внимание в текущей базе данных уделяется неорганическим материалам, потому что мы взяли базу данных неорганической кристаллической структуры в качестве отправной точки, но органические материалы также очень интересны. Я также хотел бы исследовать больше магнитных материалов, потому что в базе данных сообщается о меньшем количестве магнитных материалов, чем немагнитных. А потом я хочу посмотреть на материалы, которые обладают киральной симметрией — то есть они симметричны, но «сданы» в том, что у них есть левая версия и правая версия.

Как вы думаете, среди органических или магнитных материалов могут быть еще тысячи топологических материалов?

Я не знаю. Это зависит от размера электронной запрещенной зоны. Посмотрим!