ตารางธาตุสำหรับวัสดุทอพอโลยี

วัสดุทอพอโลยีคืออะไร?

วัสดุทอพอโลยีที่น่าสนใจที่สุดคือฉนวนทอพอโลยี ซึ่งเป็นวัสดุที่เป็นฉนวนเป็นกลุ่ม แต่นำไฟฟ้าบนพื้นผิว ในวัสดุเหล่านี้ ช่องนำไฟฟ้าที่กระแสอิเล็กทรอนิกส์ไหลมีความแข็งแกร่งมาก พวกมันคงอยู่โดยเป็นอิสระจากการรบกวนภายนอกบางอย่างที่อาจเกิดขึ้นในการทดลอง เช่น ความผิดปกติเล็กน้อยหรือความผันผวนของอุณหภูมิ และพวกมันก็ไม่ขึ้นกับขนาดด้วย สิ่งนี้น่าสนใจมากเพราะมันหมายความว่าวัสดุเหล่านี้มีความต้านทานคงที่และมีค่าการนำไฟฟ้าคงที่ การควบคุมกระแสไฟฟ้าอิเล็กทรอนิกส์อย่างเข้มงวดนั้นมีประโยชน์สำหรับการใช้งานหลายอย่าง

อะไรคือตัวอย่างของฉนวนทอพอโลยี?

ตัวอย่างที่รู้จักกันดีที่สุดคือแกลเลียมอาร์เซไนด์ ซึ่งเป็นสารกึ่งตัวนำสองมิติที่มักใช้ในการทดลองเกี่ยวกับเอฟเฟกต์ฮอลล์ควอนตัมจำนวนเต็ม ในฉนวนทอพอโลยีรุ่นใหม่ ตัวที่รู้จักกันดีที่สุดคือบิสมัทเซเลไนด์ แต่สิ่งนี้ไม่ได้รับความสนใจอย่างกว้างขวางมากนัก

เหตุใดคุณและเพื่อนร่วมงานจึงตัดสินใจค้นหาวัสดุทอพอโลยีใหม่

ในเวลานั้น มีเพียงไม่กี่รายการในตลาด และเราคิดว่า "เอาล่ะ หากเราสามารถพัฒนาวิธีการที่สามารถคำนวณหรือวินิจฉัยโทโพโลยีได้อย่างรวดเร็ว เราก็จะดูได้ว่ามีวัสดุที่มีคุณสมบัติที่เหมาะสมกว่านี้หรือไม่"

ตัวอย่างหนึ่งของคุณสมบัติที่ได้รับการปรับปรุงให้เหมาะสมคือช่องว่างของย่านความถี่อิเล็กทรอนิกส์ ความจริงที่ว่าวัสดุเหล่านี้เป็นฉนวนในกลุ่มนี้หมายความว่าในกลุ่มพลังงานมีช่วงของพลังงานที่อิเล็กตรอนไม่สามารถผ่านได้ ช่วงพลังงาน "ต้องห้าม" นี้คือช่องว่างของแถบอิเล็กทรอนิกส์ และอิเล็กตรอนไม่สามารถเคลื่อนที่ในบริเวณนั้นได้ แม้ว่าพวกมันจะอยู่บนพื้นผิวของวัสดุก็ตาม ยิ่งช่องว่างของแถบอิเล็กทรอนิกส์ของวัสดุมีขนาดใหญ่เท่าใด ฉนวนทอพอโลยีก็จะยิ่งดีขึ้นเท่านั้น

คุณค้นหาวัสดุทอพอโลยีใหม่ๆ ได้อย่างไร?

เราได้พัฒนาอัลกอริธึมตามความสมมาตรของผลึกของวัสดุ ซึ่งเป็นสิ่งที่ไม่เคยนำมาพิจารณามาก่อน ความสมมาตรของคริสตัลมีความสำคัญมากเมื่อต้องรับมือกับโทโพโลยี เนื่องจากวัสดุทอพอโลยีบางชนิดและเฟสทอพอโลยีบางขั้นจำเป็นต้องมีความสมมาตรเฉพาะ (หรือขาดความสมมาตร) จึงจะดำรงอยู่ได้ ตัวอย่างเช่น เอฟเฟกต์ฮอลล์ควอนตัมจำนวนเต็มไม่จำเป็นต้องมีความสมมาตรเลย แต่จะต้องมีสมมาตรเดียวจึงจะพัง ซึ่งก็คือสมมาตรการกลับเวลา นั่นหมายความว่าวัสดุต้องเป็นแม่เหล็ก หรือเราต้องการสนามแม่เหล็กภายนอกที่มีขนาดใหญ่มาก

แต่ขั้นตอนทอพอโลยีอื่นๆ จำเป็นต้องมีความสมมาตร และเราสามารถระบุได้ว่าพวกมันมีความสมมาตรแบบใด จากนั้น เมื่อเราระบุความสมมาตรทั้งหมดได้แล้ว เราก็สามารถจำแนกพวกมันได้ เพราะท้ายที่สุดแล้ว นั่นคือสิ่งที่นักฟิสิกส์ทำ เราจำแนกสิ่งต่าง ๆ

เราเริ่มทำงานเกี่ยวกับการกำหนดทางทฤษฎีในปี 2017 และอีกสองปีต่อมา เราได้ตีพิมพ์บทความฉบับแรกที่เกี่ยวข้องกับการกำหนดทางทฤษฎีนี้ แต่เพียงตอนนี้เท่านั้นที่ในที่สุดเราก็ทำทุกอย่างเสร็จแล้วและ เผยแพร่แล้ว.

ใครคือผู้ทำงานร่วมกันของคุณในความพยายามนี้ และแต่ละคนมีส่วนร่วมอย่างไร

ฉันออกแบบ (และดำเนินการบางส่วน) การคำนวณตามหลักการแรก ซึ่งเราพิจารณาวิธีการจำลองวัสดุจริงและ "วินิจฉัย" ว่าวัสดุเหล่านั้นมีคุณสมบัติทอพอโลยีหรือไม่ ด้วยเหตุนี้ เราใช้รหัสที่ล้ำสมัยและรหัสทำเองที่บอกเราว่าอิเล็กตรอนของวัสดุมีพฤติกรรมอย่างไร และเราจะจำแนกคุณสมบัติทอพอโลยีของวัสดุได้อย่างไร จัดทำสูตรทางทฤษฎีและวิเคราะห์โดย เบนจามิน วีเดอร์ และ Luis Elcoro เพราะพวกเขาเป็นนักฟิสิกส์เชิงทฤษฎีที่ฮาร์ดคอร์มากกว่า พวกเขาช่วยวิเคราะห์และจำแนกเฟสทอพอโลยี ผู้ร่วมให้ข้อมูลที่สำคัญอีกคนและเป็นผู้นำของโครงการนี้คือ นิโคลัส เรโนลต์; เราร่วมกันสร้างเว็บไซต์และดูแลการออกแบบเว็บไซต์และฐานข้อมูล

เราก็ได้รับความช่วยเหลือจาก สจ๊วร์ต พาร์กิน และ คลอเดีย เฟลเซอร์. พวกเขาเป็นผู้เชี่ยวชาญด้านวัสดุ ดังนั้นจึงสามารถให้คำแนะนำได้ว่าวัสดุมีความเหมาะสมหรือไม่ แล้ว อังเดร เบอร์เนวิก เป็นผู้ประสานงานทุกอย่าง เราทำงานร่วมกันมาหลายปีแล้ว

แล้วคุณพบอะไร

สิ่งที่เราพบคือมีวัสดุมากมายที่มีคุณสมบัติทอพอโลยี - นับหมื่นชิ้น

คุณแปลกใจกับตัวเลขนี้ไหม?

ใช่. มาก!

เมื่อพิจารณาถึงความแพร่หลายของคุณสมบัติทอพอโลยีเหล่านี้ ดูเหมือนว่าเกือบจะน่าแปลกใจที่คุณรู้สึกประหลาดใจ ทำไมไม่มีใครสังเกตเห็นมาก่อน?

ฉันไม่รู้ว่าทำไมชุมชนจึงพลาดไปโดยสิ้นเชิง แต่ไม่ใช่แค่ชุมชนของเราในด้านวัสดุศาสตร์และฟิสิกส์สสารควบแน่นเท่านั้นที่พลาด กลศาสตร์ควอนตัมมีมานานนับศตวรรษแล้ว และคุณสมบัติทอพอโลยีเหล่านี้มีความละเอียดอ่อน แต่ก็ไม่ได้ซับซ้อนมากนัก แต่ “บิดา” ที่ชาญฉลาดของกลศาสตร์ควอนตัมกลับพลาดสูตรทางทฤษฎีนี้ไปอย่างสิ้นเชิง

มีใครพยายามสังเคราะห์วัสดุเหล่านี้และตรวจสอบเพื่อดูว่าพวกมันทำหน้าที่เป็นฉนวนทอพอโลยีจริงหรือไม่?

แน่นอนว่าไม่ใช่ทั้งหมดที่ได้รับการตรวจสอบเนื่องจากมีมากมาย แต่บางคนก็มี มีวัสดุทอพอโลยีใหม่ๆ ที่ถูกสร้างขึ้นจากการทดลองหลังจากงานนี้ เช่น Bi4Br4 ฉนวนทอพอโลยีที่มีลำดับสูง

พื้นที่ ฐานข้อมูลวัสดุทอพอโลยี คุณและเพื่อนร่วมงานของคุณที่สร้างขึ้นได้รับการอธิบายว่าเป็น "ตารางธาตุสำหรับวัสดุทอพอโลยี" คุณสมบัติอะไรเป็นตัวกำหนดโครงสร้างของมัน?

คุณสมบัติทอพอโลยีสัมพันธ์กับกระแสอิเล็กทรอนิกส์ซึ่งเป็นสมบัติรวมของวัสดุ เหตุผลหนึ่งที่นักฟิสิกส์อาจไม่เคยคิดถึงโทโพโลยีมาก่อนก็คือพวกเขาให้ความสำคัญกับคุณสมบัติในท้องถิ่นมากกว่าคุณสมบัติระดับโลก ดังนั้นในแง่นี้ คุณสมบัติที่สำคัญจึงเกี่ยวข้องกับการระบุตำแหน่งของประจุและวิธีการกำหนดประจุในพื้นที่จริง

สิ่งที่เราพบคือถ้าเรารู้ความสมมาตรของผลึกของวัสดุ เราก็สามารถคาดการณ์ได้ว่าพฤติกรรมของประจุจะเป็นอย่างไรหรือจะไหล และนั่นคือวิธีที่เราสามารถจำแนกเฟสทอพอโลยีได้

ฐานข้อมูลวัสดุทอพอโลยีทำงานอย่างไร นักวิจัยทำอะไรเมื่อใช้มัน?

ขั้นแรก ให้ป้อนสูตรทางเคมีของวัสดุ เช่น หากคุณสนใจเกลือ สูตรคือ โซเดียมคลอไรด์ คุณใส่ NaCl ลงในฐานข้อมูลแล้วคลิก จากนั้นคุณสมบัติทั้งหมดก็ปรากฏขึ้น มันง่ายมาก

เดี๋ยว คุณกำลังบอกว่าเกลือแกงทั่วไปเป็นวัสดุทอพอโลยีใช่ไหม

ใช่.

จริงเหรอ?

ใช่.

ที่น่าตื่นตาตื่นใจ. นอกเหนือจากบุคคลที่น่าแปลกใจด้วยคุณสมบัติทอพอโลยีของวัสดุที่คุ้นเคย คุณหวังว่าฐานข้อมูลของคุณจะมีผลกระทบอะไรบ้างในภาคสนาม

ฉันหวังว่ามันจะช่วยให้นักทดลองทราบว่าควรปลูกวัสดุชนิดใด ตอนนี้เราได้วิเคราะห์คุณสมบัติของวัสดุทั้งหมดอย่างครบถ้วนแล้ว นักทดลองควรจะสามารถพูดได้ว่า "เอาล่ะ วัสดุนี้อยู่ในระบบการขนส่งอิเล็กตรอนที่เรารู้ว่าไม่ดี แต่ถ้าฉันเติมอิเล็กตรอนลงไปบางส่วน เราก็จะ บรรลุระบอบการปกครองที่น่าสนใจมาก” ดังนั้นเราจึงหวังว่าในแง่หนึ่ง มันจะช่วยให้นักทดลองค้นพบวัสดุที่ดีได้

เมื่อเร็ว ๆ นี้ความสนใจอย่างมากเกี่ยวกับวัสดุทอพอโลยีเนื่องจากมีการเชื่อมโยงที่เป็นไปได้กับการคำนวณควอนตัม นั่นเป็นแรงจูงใจสำคัญในการทำงานของคุณหรือไม่?

มันเกี่ยวข้องกัน แต่ทุกสาขามีสาขาที่แตกต่างกัน และฉันจะบอกว่างานของเราอยู่ในสาขาที่แตกต่างกัน แน่นอนว่า คุณต้องมีวัสดุทอพอโลยีเป็นแพลตฟอร์มในการพัฒนาคอมพิวเตอร์ควอนตัมทอพอโลยีโดยใช้คิวบิตที่เป็นไปได้ (บิตควอนตัม) ที่ได้รับการเสนอ ดังนั้นสิ่งที่เราทำจึงมีความสำคัญสำหรับสิ่งนั้น แต่การพัฒนาคอมพิวเตอร์ควอนตัมทอพอโลยีจะต้องอาศัยการออกแบบวัสดุมากขึ้น เนื่องจากมิติของวัสดุมีบทบาทสำคัญ เรากำลังดูสามมิติ และอาจเป็นไปได้ว่าสำหรับแพลตฟอร์มคอมพิวเตอร์ควอนตัม เราต้องมุ่งเน้นไปที่ระบบ 2 มิติ

มีแอปพลิเคชั่นอื่นอยู่บ้าง คุณสามารถใช้ฐานข้อมูลเพื่อค้นหาวัสดุสำหรับเซลล์แสงอาทิตย์ เช่น หรือสำหรับการเร่งปฏิกิริยา เครื่องตรวจจับ หรืออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่มีการกระจายตัวต่ำ นอกเหนือจากการใช้งานที่แปลกใหม่แล้ว ความเป็นไปได้ในแต่ละวันยังมีความสำคัญมากอีกด้วย แต่แรงจูงใจที่แท้จริงของเราในการทำงานคือการเข้าใจฟิสิกส์ของโทโพโลยี

ความแพร่หลายของวัสดุทอพอโลยีเปิดเผยในแคตตาล็อกที่มีสารหลายพันชนิด

อะไรต่อไปสำหรับคุณและผู้ร่วมงานของคุณ?

ฉันอยากทำวิจัยเกี่ยวกับวัสดุอินทรีย์ ฐานข้อมูลปัจจุบันมุ่งเน้นไปที่วัสดุอนินทรีย์เนื่องจากเราใช้ฐานข้อมูลโครงสร้างคริสตัลอนินทรีย์เป็นจุดเริ่มต้น แต่วัสดุอินทรีย์ก็น่าสนใจมากเช่นกัน ฉันยังต้องการตรวจสอบวัสดุแม่เหล็กให้มากขึ้น เนื่องจากมีรายงานวัสดุแม่เหล็กในฐานข้อมูลน้อยกว่าวัสดุที่ไม่ใช่แม่เหล็ก จากนั้นฉันต้องการดูวัสดุที่มีความสมมาตรของไครัล กล่าวคือ พวกมันมีความสมมาตร แต่ "ส่งมอบ" ตรงที่มีเวอร์ชันซ้ายและเวอร์ชันที่ถูกต้อง

คุณคิดว่าอาจมีวัสดุทอพอโลยีอีกนับพันชนิดนอกเหนือจากวัสดุอินทรีย์หรือแม่เหล็กหรือไม่ เพราะเหตุใด

ฉันไม่รู้. ขึ้นอยู่กับขนาดของช่องว่างของวงดนตรีอิเล็กทรอนิกส์ เราจะเห็น!