Періодична система для топологічних матеріалів

Що таке топологічний матеріал?

Найцікавішими топологічними матеріалами є топологічні ізолятори, які являють собою матеріали, які ізолюють в об’ємі, але проводять на поверхні. У цих матеріалах провідні канали, по яких тече електронний струм, дуже міцні. Вони зберігаються незалежно від деяких зовнішніх збурень, які можуть виникнути під час експериментів, таких як слабкий безлад або температурні коливання, а також вони не залежать від розміру. Це дуже цікаво, тому що це означає, що ці матеріали мають постійний опір, постійну провідність. Наявність такого жорсткого контролю електронного струму корисна для багатьох застосувань.

Які приклади топологічних ізоляторів?

Найвідомішим прикладом, ймовірно, є арсенід галію, який є двовимірним напівпровідником, який часто використовують в експериментах із цілочисельним квантовим ефектом Холла. У новітньому поколінні топологічних ізоляторів найвідомішим є селенід вісмуту, але він не привернув настільки широкої уваги.

Чому Ви та Ваші колеги вирішили шукати нові топологічні матеріали?

У той час на ринку їх було небагато, і ми подумали: «Добре, якщо ми зможемо розробити метод, який зможе швидко розрахувати або діагностувати топологію, ми зможемо побачити, чи є матеріали з більш оптимізованими властивостями».

Одним із прикладів оптимізованої властивості є електронна заборонена зона. Той факт, що ці матеріали є ізоляційними в об’ємі, означає, що в об’ємі існує діапазон енергій, через які електрони не можуть пройти. Цей «заборонений» діапазон енергії є електронною забороненою зоною, і електрони не можуть подорожувати в цій області, навіть якщо вони можуть існувати на поверхні матеріалу. Чим більше ширина забороненої зони матеріалу, тим кращим топологічним ізолятором він буде.

Як ви почали шукати нові топологічні матеріали?

Ми розробили алгоритм, заснований на кристалічній симетрії матеріалу, яка раніше не враховувалась. Симетрія кристала дуже важлива при роботі з топологією, оскільки певні топологічні матеріали та деякі топологічні фази потребують певної симетрії (або відсутності симетрії) для існування. Наприклад, цілочисельний квантовий ефект Холла взагалі не потребує симетрії, але для порушення потрібно одна симетрія, яка є симетрією зворотного часу. Це означає, що матеріал має бути магнітним, або нам потрібно дуже велике зовнішнє магнітне поле.

Але інші топологічні фази потребують симетрій, і нам вдалося визначити, якими вони є. Потім, як тільки ми визначимо всі симетрії, ми зможемо їх класифікувати – тому що, зрештою, це те, що роблять фізики. Ми класифікуємо речі.

Ми почали працювати над теоретичним формулюванням у 2017 році, а через два роки ми опублікували першу статтю, пов’язану з цим теоретичним формулюванням. Але тільки зараз ми нарешті все завершили і її опублікували.

Хто був вашим співавтором у цій роботі і який внесок зробив кожен?

Я розробив (і, частково, виконав) розрахунки перших принципів, у яких ми розглядали, як моделювати реальні матеріали та «діагностувати», чи мають вони топологічні властивості. Для цього ми використали найсучасніші коди та саморобні коди, які повідомляють нам, як поводяться електрони матеріалу та як ми можемо класифікувати топологічні властивості матеріалу. Теоретичну розробку та аналіз здійснив Бенджамін Відер і Луїс Елькоро, тому що вони більш запеклі фізики-теоретики. Вони допомогли в аналізі та класифікації топологічних фаз. Ще одним дуже важливим учасником і керівником цього проекту був Ніколя Реньо; ми разом створили веб-сайт і подбали про дизайн веб-сайту та бази даних.

Ми також мали допомогу від Стюарт Паркін та Клаудія Фелсер. Вони є експертами з матеріалів, тому вони можуть дати нам пораду щодо того, підходить матеріал чи ні. І потім Андрій Берневіг був координатором всього. Ми вже кілька років працювали разом.

А що ти знайшов?

Ми виявили, що існує багато, багато матеріалів, які мають топологічні властивості – їх десятки тисяч.

Вас здивувало число?

Так. дуже!

З огляду на те, наскільки повсюдними виявилися ці топологічні властивості, здається майже дивним, що ви були здивовані. Чому ніхто раніше не помітив?

Я не знаю, чому спільнота повністю пропустила це, але не лише наша спільнота в галузі матеріалознавства та фізики конденсованих середовищ пропустила це. Квантова механіка існує вже століття, і ці топологічні властивості є тонкими, але вони не дуже складні. Проте всі розумні «батьки» квантової механіки повністю пропустили це теоретичне формулювання.

Хтось пробував синтезувати ці матеріали та перевірити, чи справді вони поводяться як топологічні ізолятори?

Не всі, звичайно, перевірені, тому що їх дуже багато. Але деякі з них мають. Існують нові топологічні матеріали, які були створені експериментально після цієї роботи, як топологічний ізолятор високого порядку Bi4Br4.

Команда База даних топологічних матеріалів створену вами та вашими колегами було описано як «періодичну таблицю для топологічних матеріалів». Які властивості визначають його будову?

Топологічні властивості пов'язані з електронним струмом, який є загальною властивістю матеріалу. Однією з причин, чому фізики раніше не думали про топологію, є те, що вони були дуже зосереджені на локальних властивостях, а не на глобальних. Отже, у цьому сенсі важлива властивість пов’язана з локалізацією заряду та тим, як заряд визначається в реальному просторі.

Ми виявили, що якщо ми знаємо кристалічну симетрію матеріалу, ми можемо передбачити, якою буде поведінка заряду або потоку. І саме так ми могли класифікувати топологічні фази.

Як працює база даних топологічних матеріалів? Що роблять дослідники, коли вони його використовують?

По-перше, вони вводять хімічну формулу матеріалу. Наприклад, якщо вас цікавить сіль, формула – хлорид натрію. Отже, ви додаєте NaCl до бази даних і клацаєте, а потім з’являються всі властивості. Це дуже просто.

Зачекайте, ви хочете сказати, що звичайна кухонна сіль є топологічним матеріалом?

Так.

У самому справі?

Так.

Це дивовижно. Крім здивування людей топологічними властивостями знайомих матеріалів, який вплив, на вашу думку, матиме ваша база даних на сферу?

Я сподіваюся, що це допоможе експериментаторам визначити, які матеріали їм слід вирощувати. Тепер, коли ми проаналізували весь спектр усіх властивостей матеріалу, експериментатори повинні мати можливість сказати: «Добре, цей матеріал перебуває в режимі транспорту електронів, який, як ми знаємо, є поганим, але якщо я додаю йому трохи електронів, тоді ми будемо досягти дуже цікавого режиму». Тож ми сподіваємось, у певному сенсі, що це допоможе експериментаторам знайти хороші матеріали.

Останнім часом багато уваги привернуто до топологічних матеріалів через можливий зв’язок із квантовими обчисленнями. Це великий мотиватор у вашій роботі?

Це пов’язано, але кожна сфера має різні галузі, і я б сказав, що наша робота знаходиться в іншій галузі. Звичайно, вам потрібен топологічний матеріал як платформа для розробки топологічного квантового комп’ютера з використанням будь-яких можливих кубітів (квантових бітів), які були запропоновані, тому те, що ми зробили, є важливим для цього. Але розробка топологічного квантового комп’ютера вимагатиме набагато більше роботи над дизайном матеріалів, оскільки розміри матеріалу відіграють важливу роль. Ми розглядали три виміри, і можливо, для платформ квантових обчислень нам потрібно було б зосередитися на 2D-системах.

Але є й інші програми. Ви можете використовувати базу даних, щоб знайти матеріали для сонячних елементів, наприклад, або для каталізу, детекторів або електронних пристроїв з низьким розсіюванням. Окрім суперекзотичних програм, ці повсякденні можливості також дуже важливі. Але нашою справжньою мотивацією для роботи було розуміння фізики топології.

Повсюдне поширення топологічних матеріалів, виявлених у каталогах, що містять тисячі речовин

Що далі для вас і ваших колег?

Я хотів би провести дослідження органічних матеріалів. Основна увага в поточній базі даних зосереджена на неорганічних матеріалах, тому що ми взяли базу даних неорганічної кристалічної структури як нашу відправну точку, але органічні матеріали також дуже цікаві. Я також хотів би дослідити більше магнітних матеріалів, тому що в базі даних зазначено менше магнітних матеріалів, ніж немагнітних. А потім я хочу поглянути на матеріали, які мають хіральну симетрію – тобто вони симетричні, але «рукові», оскільки мають ліву та праву версії.

Як ви думаєте, чи можуть бути тисячі інших топологічних матеріалів серед органічних або магнітних матеріалів?

Не знаю. Це залежить від розміру електронної забороненої зони. Ми побачимо!