Topolojik malzemeler için periyodik tablo

Topolojik malzeme nedir?

En ilginç topolojik malzemeler, toplu olarak yalıtkan fakat yüzeyde iletken olan malzemeler olan topolojik yalıtkanlardır. Bu malzemelerde elektronik akımın aktığı iletken kanallar oldukça sağlamdır. Zayıf düzensizlik veya sıcaklık dalgalanmaları gibi deneylerde karşılaşılabilecek bazı dış etkenlerden bağımsız olarak varlığını sürdürürler ve aynı zamanda büyüklükten de bağımsızdırlar. Bu çok ilginç çünkü bu malzemelerin sabit bir dirence, sabit bir iletkenliğe sahip olduğu anlamına geliyor. Elektronik akımın bu kadar sıkı kontrolüne sahip olmak birçok uygulama için faydalıdır.

Topolojik yalıtkanların bazı örnekleri nelerdir?

En iyi bilinen örnek muhtemelen tamsayı kuantum Hall etkisi deneylerinde sıklıkla kullanılan iki boyutlu bir yarı iletken olan galyum arsenittir. Yeni nesil topolojik izolatörler arasında en iyi bilineni bizmut selenittir, ancak bu kadar yaygın bir ilgi görmemiştir.

Siz ve meslektaşlarınız neden yeni topolojik materyaller aramaya karar verdiniz?

O zamanlar piyasada bunlardan sadece birkaçı vardı ve şöyle düşündük: "Tamam, topolojiyi hızlı bir şekilde hesaplayabilen veya teşhis edebilen bir yöntem geliştirebilirsek, daha optimize özelliklere sahip malzemeler olup olmadığını görebiliriz."

Optimize edilmiş bir özelliğin bir örneği elektronik bant aralığıdır. Bu malzemelerin kütle halinde yalıtkan olması, kütle halinde elektronların geçemeyeceği bir enerji aralığının olduğu anlamına gelir. Bu “yasak” enerji aralığı elektronik bant aralığıdır ve elektronlar malzemenin yüzeyinde bulunsalar bile bu bölgede hareket edemezler. Malzemenin elektronik bant aralığı ne kadar büyük olursa, topolojik yalıtkan da o kadar iyi olacaktır.

Yeni topolojik materyaller aramaya nasıl başladınız?

Daha önce hesaba katılmayan bir malzemenin kristal simetrilerine dayalı bir algoritma geliştirdik. Topolojiyle uğraşırken kristalin simetrisi çok önemlidir çünkü belirli topolojik materyallerin ve bazı topolojik fazların var olması için belirli bir simetriye (veya simetri eksikliğine) ihtiyaç vardır. Örneğin, tamsayı kuantum Hall etkisinin hiçbir simetriye ihtiyacı yoktur, ancak kırılması için tek bir simetriye ihtiyacı vardır, o da zamanın tersine çevrilmesi simetrisidir. Bu, malzemenin manyetik olması gerektiği veya çok büyük bir dış manyetik alana ihtiyacımız olduğu anlamına gelir.

Ancak diğer topolojik aşamaların simetrilere ihtiyacı vardır ve bunların hangi simetriler olduğunu belirlemeyi başardık. Daha sonra, tüm simetrileri belirledikten sonra onları sınıflandırabiliriz; çünkü sonuçta fizikçilerin yaptığı da budur. Nesneleri sınıflandırıyoruz.

2017 yılında teorik formülasyon üzerinde çalışmaya başladık ve iki yıl sonra bu teorik formülasyonla ilgili ilk makaleyi yayınladık. Ama ancak şimdi nihayet her şeyi tamamladık ve yayınladı.

Bu çabadaki işbirlikçileriniz kimlerdi ve her bir kişi nasıl katkıda bulundu?

Gerçek malzemeleri nasıl simüle edeceğimizi ve topolojik özelliklere sahip olup olmadıklarını nasıl "teşhis edeceğimizi" düşündüğümüz ilk prensip hesaplamalarını tasarladım (ve kısmen gerçekleştirdim). Bunun için malzemenin elektronlarının nasıl davrandığını ve malzemenin topolojik özelliklerini nasıl sınıflandırabileceğimizi bize anlatan son teknoloji kodlar ve ev yapımı kodlar kullandık. Teorik formülasyon ve analiz şu şekilde yapılmıştır: Benjamin Wieder ve Luis Elcoro çünkü onlar daha sıkı teorik fizikçilerdir. Topolojik aşamaların analiz edilmesine ve sınıflandırılmasına yardımcı oldular. Bu projenin bir başka çok önemli katılımcısı ve lider adamı da Nicolas Regnault; Web sitesini birlikte oluşturduk, web sitesinin ve veritabanının tasarlanmasını üstlendik.

Biz de yardım aldık Stuart Parkin ve Claudia Felser. Onlar malzeme uzmanlarıdır, dolayısıyla bize bir malzemenin uygun olup olmadığı konusunda tavsiyelerde bulunabilirler. Ve daha sonra Andrey Bernevig her şeyin koordinatörüydü. Zaten birkaç yıldır birlikte çalışıyorduk.

Ve ne buldun?

Bulduğumuz şey, topolojik özelliklere sahip çok ama çok sayıda malzemenin (onbinlerce) olduğudur.

Sayıya şaşırdınız mı?

Evet. Çok!

Bu topolojik özelliklerin ne kadar yaygın olduğu göz önüne alındığında, şaşırmanız neredeyse şaşırtıcı görünüyor. Neden daha önce kimse fark etmemişti?

Topluluğun neden tamamen gözden kaçırdığını bilmiyorum ama bunu kaçıran yalnızca malzeme bilimi ve yoğun madde fiziği alanındaki topluluğumuz değil. Kuantum mekaniği bir asırdan beri mevcuttur ve bu topolojik özellikler incelikli olsa da çok karmaşık değildir. Ancak kuantum mekaniğinin tüm akıllı "babaları" bu teorik formülasyonu tamamen gözden kaçırdılar.

Bu malzemeleri sentezleyip gerçekten topolojik yalıtkanlar gibi davranıp davranmadıklarını kontrol etmeyi deneyen var mı?

Elbette hepsi kontrol edilmedi çünkü çok fazla var. Ama bazılarında var. Bu çalışmanın ardından deneysel olarak oluşturulan yüksek dereceli topolojik yalıtkan Bi4Br4 gibi yeni topolojik malzemeler vardır.

The Topolojik Malzeme Veritabanı Sizin ve meslektaşlarınızın oluşturduğu tablo, “topolojik materyaller için periyodik bir tablo” olarak tanımlandı. Yapısını hangi özellikler belirler?

Topolojik özellikler malzemenin genel bir özelliği olan elektronik akımla ilgilidir. Fizikçilerin topolojiyi daha önce düşünmemiş olmalarının nedenlerinden biri, küresel olanlardan ziyade yerel özelliklere odaklanmış olmalarıdır. Yani bu anlamda önemli olan özellik, yükün lokalizasyonu ve yükün gerçek uzayda nasıl tanımlandığı ile ilgilidir.

Bulduğumuz şey şu: Eğer malzemenin kristal simetrilerini bilirsek, yükün davranışının veya akışının ne olacağını tahmin edebiliriz. Topolojik aşamaları bu şekilde sınıflandırabiliriz.

Topolojik Malzeme Veritabanı nasıl çalışır? Araştırmacılar bunu kullanırken ne yaparlar?

Önce malzemenin kimyasal formülüne giriyorlar. Örneğin tuzla ilgileniyorsanız formül sodyum klorürdür. Yani NaCl'yi veritabanına koyarsınız ve tıklarsınız, ardından tüm özellikler görünür. Çok basit.

Bir dakika, sıradan sofra tuzunun topolojik bir malzeme olduğunu mu söylüyorsunuz?

Evet.

Gerçekten mi?

Evet.

Bu harika. Tanıdık malzemelerin topolojik özellikleriyle insanları şaşırtmanın yanı sıra, veritabanınızın sahada nasıl bir etkisi olacağını umuyorsunuz?

Umarım deneycilerin hangi malzemeleri yetiştirmeleri gerektiğini anlamalarına yardımcı olur. Artık tüm malzeme özelliklerinin tüm spektrumunu analiz ettiğimize göre deneyciler şunu söyleyebilmeli: "Tamam, bu malzeme iyi olmadığını bildiğimiz bir elektron taşıma rejiminde, ancak onu biraz elektronla desteklersem o zaman şunu yapabiliriz: çok ilginç bir rejime ulaştık.” Dolayısıyla bir anlamda deneycilerin iyi materyaller bulmasına yardımcı olacağını umuyoruz.

Kuantum hesaplamayla olası bir bağlantı nedeniyle son zamanlarda topolojik materyallere büyük ilgi duyuldu. Bu işinizde büyük bir motivasyon kaynağı mı?

İlgili ama her alanın farklı dalları var, bizim işimiz de farklı bir dalda diyebilirim. Elbette, önerilen olası kübitlerden (kuantum bitleri) herhangi birini kullanan bir topolojik kuantum bilgisayar geliştirmek için platform olarak topolojik bir malzemeye ihtiyacınız var, bu yüzden bizim yaptığımız şey bunun için önemli. Ancak topolojik bir kuantum bilgisayar geliştirmek, malzeme tasarımı üzerinde çok daha fazla çalışmayı gerektirecektir çünkü malzemenin boyutu önemli bir rol oynamaktadır. Üç boyuta bakıyorduk ve kuantum hesaplama platformları için 2 boyutlu sistemlere odaklanmamız gerekebilir.

Ancak başka uygulamalar da var. Veritabanını örneğin güneş pilleri veya kataliz, dedektörler veya düşük dağılımlı elektronik cihazlar için malzemeler bulmak amacıyla kullanabilirsiniz. Süper egzotik uygulamaların ötesinde, bu günlük olanaklar da çok önemlidir. Ancak bu çalışma için asıl motivasyonumuz topolojinin fiziğini anlamaktı.

Binlerce madde içeren kataloglarda ortaya çıkan topolojik malzemelerin her yerde bulunabilmesi

Siz ve işbirlikçileriniz için sırada ne var?

Organik materyaller üzerine araştırma yapmak istiyorum. Mevcut veritabanının odak noktası inorganik malzemelerdir çünkü başlangıç ​​noktamız olarak İnorganik Kristal Yapı Veritabanını aldık, ancak organik malzemeler de çok ilginçtir. Ayrıca daha fazla manyetik malzeme araştırmak istiyorum çünkü veri tabanında manyetik olmayanlara göre daha az manyetik malzeme rapor ediliyor. Ve sonra kiral simetrileri olan malzemelere bakmak istiyorum; yani bunlar simetriktir, ancak bir sol versiyonu ve bir sağ versiyonu olduğu için "verilmiştir".

Organik veya manyetik materyaller arasında binlerce topolojik materyalin daha olabileceğini düşünüyor musunuz?

Bilmiyorum. Elektronik bant aralığının büyüklüğüne bağlıdır. Göreceğiz!