Ett periodiskt system för topologiska material

Vad är ett topologiskt material?

De mest intressanta topologiska materialen är topologiska isolatorer, som är material som är isolerande i bulken, men leder på ytan. I dessa material är de ledande kanalerna där den elektroniska strömmen flyter mycket robusta. De kvarstår oberoende av vissa yttre störningar som man kan ha i experiment, såsom svag störning eller temperaturfluktuationer, och de är också oberoende av storlek. Detta är mycket intressant eftersom det betyder att dessa material har ett konstant motstånd, en konstant ledningsförmåga. Att ha så tät kontroll av den elektroniska strömmen är användbart för många tillämpningar.

Vilka är några exempel på topologiska isolatorer?

Det mest kända exemplet är förmodligen galliumarsenid, som är en tvådimensionell halvledare som ofta används i experiment på heltalskvantum Hall-effekten. I den nyare generationen topologiska isolatorer är den mest kända vismutselenid, men detta har inte fått lika stor uppmärksamhet.

Varför valde du och dina kollegor att söka efter nya topologiska material?

Vid den tiden fanns det bara ett fåtal av dem på marknaden, och vi tänkte: "Okej, om vi kan utveckla en metod som kan beräkna eller diagnostisera topologi snabbt, kan vi se om det finns material som har mer optimerade egenskaper."

Ett exempel på en optimerad egenskap är det elektroniska bandgapet. Det faktum att dessa material är isolerande i bulken betyder att det i bulken finns en rad energier där elektronerna inte kan passera igenom. Detta "förbjudna" energiområde är det elektroniska bandgapet, och elektroner kan inte resa i den regionen även om de kan finnas på materialets yta. Ju större materialets elektroniska bandgap är, desto bättre en topologisk isolator blir det.

Hur gick du tillväga för att leta efter nya topologiska material?

Vi utvecklade en algoritm baserad på ett materials kristallina symmetrier, vilket är något som inte togs i beaktande tidigare. Kristallens symmetri är mycket viktig när man har att göra med topologi eftersom vissa topologiska material och vissa topologiska faser behöver en viss symmetri (eller brist på symmetri) för att existera. Till exempel behöver heltalskvant-Hall-effekten inga symmetrier alls, men den behöver en symmetri för att brytas, vilket är tidsomkastningssymmetri. Det betyder att materialet måste vara magnetiskt, eller så behöver vi ett mycket stort externt magnetfält.

Men andra topologiska faser behöver symmetrier, och vi lyckades identifiera vilka symmetrier de var. Sedan, när vi väl hade identifierat alla symmetrier, kunde vi klassificera dem – för i slutändan är det vad fysiker gör. Vi klassificerar saker.

Vi började arbeta med den teoretiska formuleringen 2017, och två år senare publicerade vi den första artikeln relaterad till denna teoretiska formulering. Men det är först nu som vi äntligen har slutfört allt och publicerade den.

Vilka var dina medarbetare i detta arbete och hur bidrog varje person?

Jag designade (och, delvis, utförde) de första principberäkningarna där vi övervägde hur vi skulle simulera verkliga material och "diagnostisera" om de hade topologiska egenskaper. För det använde vi toppmoderna koder och hemmagjorda koder som berättar hur materialets elektroner beter sig och hur vi kan klassificera materialets topologiska egenskaper. Den teoretiska formuleringen och analysen gjordes av Benjamin Wieder och Luis Elcoro för att de är mer hårda teoretiska fysiker. De hjälpte till med att analysera och klassificera de topologiska faserna. En annan mycket viktig bidragsgivare och den ledande killen i detta projekt var Nicolas Regnault; vi byggde upp hemsidan tillsammans och tog hand om att designa hemsidan och databasen.

Vi fick också hjälp av Stuart Parkin och Claudia Felser. De är materialexperter, så de kan ge oss råd om huruvida ett material var lämpligt eller inte. Och då Andrei Bernevig var koordinator för allt. Vi har redan jobbat ihop i flera år.

Och vad hittade du?

Vad vi hittade är att det finns många, många material som har topologiska egenskaper – tiotusentals av dem.

Blev du förvånad över siffran?

Ja. Mycket!

Med tanke på hur allmänt förekommande dessa topologiska egenskaper visade sig vara, verkar det nästan förvånande att du blev förvånad. Varför hade ingen märkt det tidigare?

Jag vet inte varför det missades helt av samhället, men det är inte bara vårt samhälle inom materialvetenskap och fysik av kondenserad materia som missade det. Kvantmekanik har redan funnits i ett sekel, och dessa topologiska egenskaper är subtila, men de är inte särskilt komplexa. Ändå missade kvantmekanikens alla smarta "fäder" helt denna teoretiska formulering.

Har någon provat att syntetisera dessa material och kontrollera om de verkligen beter sig som topologiska isolatorer?

Alla har inte kontrollerats förstås eftersom det är så många. Men några av dem har. Det finns nya topologiska material som har skapats experimentellt efter detta arbete, som den högklassiga topologiska isolatorn Bi4Br4.

Smakämnen Topologisk materialdatabas du och dina kollegor konstruerade har beskrivits som "ett periodiskt system för topologiska material". Vilka egenskaper bestämmer dess struktur?

De topologiska egenskaperna är relaterade till den elektroniska strömmen, som är en global egenskap hos materialet. En av anledningarna till att fysiker kanske inte har tänkt på topologi tidigare är att de var mycket fokuserade på lokala egenskaper, snarare än globala. Så i denna mening är den viktiga egenskapen relaterad till lokaliseringen av laddningen och hur laddningen definieras i det verkliga rummet.

Vad vi fann är att om vi känner till materialets kristallina symmetrier kan vi förutse hur laddningens beteende kommer att vara eller flyta. Och det är så vi skulle kunna klassificera de topologiska faserna.

Hur fungerar Topological Materials Database? Vad gör forskare när de använder det?

Först anger de materialets kemiska formel. Om du till exempel är intresserad av salt är formeln natriumklorid. Så du lägger NaCl i databasen och klickar, och då dyker alla egenskaper upp. Det är väldigt enkelt.

Vänta, menar du att vanligt bordssalt är ett topologiskt material?

Ja.

Verkligen?

Ja.

Det är fantastiskt. Förutom att överraska människor med de topologiska egenskaperna hos bekanta material, vilken inverkan hoppas du att din databas kommer att ha på fältet?

Jag hoppas att det kommer att hjälpa experimentalister att ta reda på vilka material de ska odla. Nu när vi har analyserat hela spektrumet av alla materialegenskaper borde experimentalister kunna säga: "Okej, det här materialet är i en elektrontransportregim som vi vet inte är bra, men om jag dopar det med några elektroner kommer vi att nå en mycket intressant regim.” Så vi hoppas på sätt och vis att det kommer att hjälpa experimentalister att hitta bra material.

Mycket uppmärksamhet har kommit till topologiska material nyligen på grund av en möjlig koppling till kvantberäkning. Är det en stor drivkraft i ditt arbete?

Det är relaterat, men varje fält har olika grenar, och jag skulle säga att vårt arbete är i en annan gren. Naturligtvis behöver du ett topologiskt material som en plattform för att utveckla en topologisk kvantdator med någon av de möjliga kvantbitarna (kvantbitar) som har föreslagits, så det vi gjorde är viktigt för det. Men att utveckla en topologisk kvantdator kommer att kräva mycket mer arbete med materialdesign eftersom materialets dimension spelar en viktig roll. Vi tittade på tre dimensioner, och det kan vara så att vi för kvantberäkningsplattformar skulle behöva fokusera på 2D-system.

Det finns dock andra applikationer. Du kan använda databasen för att hitta material för till exempel solceller eller för katalys, detektorer eller elektroniska apparater med låg spridning. Utöver de superexotiska applikationerna är dessa dagliga möjligheter också mycket viktiga. Men vår verkliga motivation för arbetet var att förstå topologins fysik.

Ubiquity av topologiska material avslöjas i kataloger som innehåller tusentals ämnen

Vad är nästa steg för dig och dina medarbetare?

Jag skulle vilja forska om organiska material. Fokus i den nuvarande databasen ligger på oorganiska material eftersom vi tog utgångspunkten i databasen för oorganiska kristallstrukturer, men även organiska material är väldigt intressanta. Jag skulle också vilja undersöka fler magnetiska material, eftersom färre magnetiska material rapporteras i databasen än icke-magnetiska. Och så vill jag titta på material som har kirala symmetrier – det vill säga de är symmetriska, men "inlämnade" i att de har en vänsterversion och en högerversion.

Tror du att det kan finnas tusentals fler topologiska material där ute bland de organiska eller magnetiska materialen?

Jag vet inte. Det beror på storleken på det elektroniska bandgapet. Vi får se!