Materiali, ki prevajajo elektriko na zunanji strani, ne pa tudi na notranji strani, so včasih veljali za nenavadne. Pravzaprav so vseprisotni, kot Maia Vergniory z Inštituta Maxa Plancka za kemijsko fiziko trdnih snovi v Dresdnu v Nemčiji in sodelavci nedavno dokazali z identifikacijo več deset tisoč njih. Z Margaret Harris se je pogovarjala o tem, kako je ekipa ustvarila Baza podatkov o topoloških materialih in kaj to pomeni za področje
Kaj je topološki material?
Najbolj zanimivi topološki materiali so topološki izolatorji, to so materiali, ki so v veliki meri izolacijski, površinsko pa prevodni. V teh materialih so prevodni kanali, kjer teče elektronski tok, zelo robustni. Vztrajajo neodvisno od nekaterih zunanjih motenj, ki jih lahko imamo pri poskusih, kot so šibka motnja ali temperaturna nihanja, prav tako pa so neodvisni od velikosti. To je zelo zanimivo, ker pomeni, da imajo ti materiali konstanten upor, konstantno prevodnost. Tako strog nadzor nad elektronskim tokom je koristen za številne aplikacije.
Kateri so nekateri primeri topoloških izolatorjev?
Najbolj znan primer je verjetno galijev arzenid, ki je dvodimenzionalni polprevodnik, ki se pogosto uporablja v eksperimentih na celoštevilskem kvantnem Hallovem učinku. V novejši generaciji topoloških izolatorjev je najbolj znan bizmutov selenid, vendar ta ni pridobil tolikšne pozornosti.
Zakaj ste se s sodelavci odločili za iskanje novih topoloških materialov?
Takrat jih je bilo na trgu le nekaj in pomislili smo: "V redu, če lahko razvijemo metodo, ki lahko hitro izračuna ali diagnosticira topologijo, lahko vidimo, ali obstajajo materiali, ki imajo bolj optimizirane lastnosti."
En primer optimizirane lastnosti je elektronska vrzel. Dejstvo, da so ti materiali v razsutem stanju izolacijski, pomeni, da v razsutem stanju obstaja vrsta energij, skozi katere elektroni ne morejo preiti. To "prepovedano" energijsko območje je elektronska vrzel in elektroni ne morejo potovati v tem območju, čeprav lahko obstajajo na površini materiala. Večja kot je elektronska vrzel materiala, boljši bo topološki izolator.
Kako ste se lotili iskanja novih topoloških materialov?
Razvili smo algoritem, ki temelji na kristalnih simetrijah materiala, kar prej ni bilo upoštevano. Simetrija kristala je zelo pomembna pri obravnavi topologije, ker nekateri topološki materiali in nekatere topološke faze potrebujejo posebno simetrijo (ali pomanjkanje simetrije), da obstajajo. Celoštevilski kvantni Hallov učinek na primer sploh ne potrebuje simetrije, potrebuje pa eno simetrijo, da se prekine, in sicer simetrijo obratnega časa. To pomeni, da mora biti material magneten ali pa potrebujemo zelo veliko zunanje magnetno polje.
Toda druge topološke faze potrebujejo simetrije in uspelo nam je ugotoviti, katere simetrije so bile. Potem, ko smo identificirali vse simetrije, smo jih lahko razvrstili – kajti na koncu to delajo fiziki. Stvari razvrščamo.
S teoretično postavitvijo smo se začeli ukvarjati leta 2017, dve leti pozneje pa smo objavili prvi članek, povezan s to teoretično formulacijo. Ampak šele zdaj smo končno vse dokončali in objavil.
Kdo so bili vaši sodelavci pri tem prizadevanju in kako je vsak prispeval?
Oblikoval sem (in deloma izvedel) izračune prvih principov, v katerih smo razmišljali o tem, kako simulirati realne materiale in "diagnosticirati", ali imajo topološke lastnosti. Za to smo uporabili najsodobnejše kode in domače kode, ki nam povedo, kako se obnašajo elektroni materiala in kako lahko razvrstimo topološke lastnosti materiala. Teoretično zasnovo in analizo je opravil Benjamin Wieder in Luis Elcoro, ker sta bolj zagrizena teoretična fizika. Pomagali so pri analizi in klasifikaciji topoloških faz. Še en zelo pomemben sodelavec in vodilni človek tega projekta je bil Nicolas Regnault; Skupaj smo izdelali spletno stran ter poskrbeli za oblikovanje spletne strani in baze podatkov.
Imeli smo tudi pomoč od Stuart Parkin in Klavdija Felser. So strokovnjaki za materiale, zato nam lahko svetujejo, ali je material primeren ali ne. In potem Andrej Bernevig je bil koordinator vsega. Delala sva že nekaj let.
In kaj ste našli?
Ugotovili smo, da obstaja veliko, veliko materialov, ki imajo topološke lastnosti – na desettisoče jih je.
Vas je številka presenetila?
ja Zelo!
Glede na to, kako vseprisotne so se izkazale te topološke lastnosti, se zdi skoraj presenetljivo, da ste bili presenečeni. Zakaj ni nihče prej opazil?
Ne vem, zakaj ga je skupnost popolnoma pogrešala, vendar ga ni pogrešala le naša skupnost v znanosti o materialih in fiziki kondenzirane snovi. Kvantna mehanika obstaja že stoletje in te topološke lastnosti so subtilne, vendar niso zelo kompleksne. Pa vendar so vsi pametni »očetje« kvantne mehanike popolnoma zgrešili to teoretično formulacijo.
Je kdo poskusil sintetizirati te materiale in preveriti, ali se res obnašajo kot topološki izolatorji?
Vsi seveda niso bili preverjeni, ker jih je ogromno. Toda nekateri od njih so. Po tem delu so bili eksperimentalno ustvarjeni novi topološki materiali, kot je topološki izolator visokega reda Bi4Br4.
O Baza podatkov o topoloških materialih ki ste ga zgradili vi in vaši kolegi, je bil opisan kot "periodični sistem za topološke materiale". Katere lastnosti določajo njegovo zgradbo?
Topološke lastnosti so povezane z elektronskim tokom, ki je globalna lastnost materiala. Eden od razlogov, zakaj fiziki morda prej niso razmišljali o topologiji, je ta, da so bili zelo osredotočeni na lokalne lastnosti in ne na globalne. Torej je v tem smislu pomembna lastnost povezana z lokalizacijo naboja in kako je naboj definiran v realnem prostoru.
Ugotovili smo, da če poznamo kristalne simetrije materiala, lahko predvidimo, kakšno bo obnašanje ali pretok naboja. In tako bi lahko razvrstili topološke faze.
Kako deluje zbirka podatkov o topoloških materialih? Kaj delajo raziskovalci, ko ga uporabljajo?
Najprej vnesejo kemijsko formulo materiala. Na primer, če vas zanima sol, je formula natrijev klorid. Torej v bazo podatkov vnesete NaCl in kliknete, nato pa se prikažejo vse lastnosti. To je zelo preprosto.
Čakajte, hočete reči, da je navadna kuhinjska sol topološki material?
Da.
Res?
Da.
To je neverjetno. Kakšen vpliv upate, da bo vaša baza podatkov imela na terenu, poleg tega, da boste ljudi presenetili s topološkimi lastnostmi znanih materialov?
Upam, da bo eksperimentatorjem pomagalo ugotoviti, katere materiale naj gojijo. Zdaj, ko smo analizirali celoten spekter vseh lastnosti materiala, bi morali biti eksperimentalci sposobni reči: »V redu, ta material je v režimu transporta elektronov, za katerega vemo, da ni dober, toda če mu dodam nekaj elektronov, bomo doseči zelo zanimiv režim." Zato upamo, da bo v nekem smislu pomagalo eksperimentatorjem najti dobre materiale.
V zadnjem času je bilo veliko pozornosti namenjeno topološkim materialom zaradi možne povezave s kvantnim računalništvom. Je to velik motivator pri vašem delu?
Povezano je, vendar ima vsako področje različne veje in rekel bi, da je naše delo v drugi veji. Seveda potrebujete topološki material kot platformo za razvoj topološkega kvantnega računalnika z uporabo katerega koli od možnih kubitov (kvantnih bitov), ki so bili predlagani, zato je za to pomembno, kar smo naredili. Toda razvoj topološkega kvantnega računalnika bo zahteval veliko več dela na oblikovanju materialov, ker ima dimenzija materiala pomembno vlogo. Gledali smo tri razsežnosti in morda bi se morali za kvantne računalniške platforme osredotočiti na 2D sisteme.
Obstajajo pa tudi druge aplikacije. Bazo podatkov lahko uporabite za iskanje materialov na primer za sončne celice ali za katalizo, detektorje ali elektronske naprave z nizko disipacijo. Poleg supereksotičnih aplikacij so zelo pomembne tudi te vsakodnevne možnosti. Toda naša prava motivacija za delo je bilo razumevanje fizike topologije.
Vseprisotnost topoloških materialov, razkritih v katalogih, ki vsebujejo na tisoče snovi
Kaj je naslednje za vas in vaše sodelavce?
Rad bi raziskoval organske materiale. Poudarek v trenutni zbirki podatkov je na anorganskih materialih, ker smo za izhodišče vzeli bazo podatkov o anorganski kristalni strukturi, vendar so tudi organski materiali zelo zanimivi. Prav tako bi rad raziskal več magnetnih materialov, ker je v bazi podatkov manj magnetnih materialov kot nemagnetnih. In potem si želim ogledati materiale, ki imajo kiralne simetrije – to pomeni, da so simetrični, vendar »z roko« v tem, da imajo levo in desno različico.
Ali menite, da bi lahko bilo med organskimi ali magnetnimi materiali na tisoče več topoloških materialov?
Nevem. Odvisno je od velikosti elektronskega pasu. Bomo videli!
