ٹاپولوجیکل مواد کے لیے ایک متواتر جدول

ٹاپولوجیکل مواد کیا ہے؟

سب سے زیادہ دلچسپ ٹاپولوجیکل مواد ٹاپولوجیکل انسولیٹر ہیں، جو ایسے مواد ہیں جو بڑے پیمانے پر موصلیت کا باعث ہیں، لیکن سطح پر چل رہے ہیں۔ ان مواد میں، کنڈکٹنگ چینلز جہاں الیکٹرانک کرنٹ بہت مضبوط ہوتا ہے۔ وہ کچھ بیرونی خلل سے آزادانہ طور پر برقرار رہتے ہیں جو تجربات میں ہوسکتے ہیں، جیسے کمزور خرابی یا درجہ حرارت کے اتار چڑھاو، اور وہ سائز سے بھی آزاد ہیں۔ یہ بہت دلچسپ ہے کیونکہ اس کا مطلب ہے کہ ان مواد میں مستقل مزاحمت، مستقل چالکتا ہے۔ الیکٹرانک کرنٹ کا اتنا سخت کنٹرول بہت سی ایپلی کیشنز کے لیے مفید ہے۔

ٹاپولوجیکل انسولیٹر کی کچھ مثالیں کیا ہیں؟

سب سے مشہور مثال شاید گیلیم آرسنائیڈ ہے، جو ایک دو جہتی سیمی کنڈکٹر ہے جو اکثر انٹیجر کوانٹم ہال اثر کے تجربات میں استعمال ہوتا ہے۔ ٹاپولوجیکل انسولیٹروں کی نئی نسل میں، سب سے مشہور بسمتھ سیلینائیڈ ہے، لیکن اس نے اتنی زیادہ توجہ حاصل نہیں کی ہے۔

آپ اور آپ کے ساتھیوں نے نئے ٹاپولوجیکل مواد کو تلاش کرنے کا فیصلہ کیوں کیا؟

اس وقت، مارکیٹ میں ان میں سے کچھ ہی تھے، اور ہم نے سوچا، "ٹھیک ہے، اگر ہم کوئی ایسا طریقہ تیار کر سکتے ہیں جو ٹوپولوجی کا حساب یا تشخیص کر سکے، تو ہم دیکھ سکتے ہیں کہ کیا ایسے مواد موجود ہیں جن میں زیادہ بہتر خصوصیات ہیں۔"

آپٹمائزڈ پراپرٹی کی ایک مثال الیکٹرانک بینڈ گیپ ہے۔ حقیقت یہ ہے کہ یہ مواد بڑے پیمانے پر موصلیت کا باعث ہیں اس کا مطلب ہے کہ بلک میں، توانائیوں کی ایک حد ہوتی ہے جہاں سے الیکٹران نہیں گزر سکتے۔ یہ "حرام" توانائی کی حد الیکٹرانک بینڈ گیپ ہے، اور الیکٹران اس خطے میں سفر نہیں کر سکتے حالانکہ وہ مواد کی سطح پر موجود ہو سکتے ہیں۔ مواد کا الیکٹرانک بینڈ گیپ جتنا بڑا ہوگا، ٹاپولوجیکل انسولیٹر اتنا ہی بہتر ہوگا۔

آپ نئے ٹاپولوجیکل مواد کی تلاش میں کیسے گئے؟

ہم نے مواد کی کرسٹل لائن ہم آہنگی کی بنیاد پر ایک الگورتھم تیار کیا، جو کہ ایسی چیز ہے جس کا پہلے خیال نہیں رکھا گیا تھا۔ ٹوپولوجی سے نمٹنے کے دوران کرسٹل کی ہم آہنگی بہت اہم ہے کیونکہ کچھ ٹاپولوجیکل مواد اور کچھ ٹاپولوجیکل مراحل کو موجود ہونے کے لئے ایک خاص توازن (یا توازن کی کمی) کی ضرورت ہوتی ہے۔ مثال کے طور پر، انٹیجر کوانٹم ہال اثر کو کسی بھی ہم آہنگی کی ضرورت نہیں ہے، لیکن اسے ٹوٹنے کے لیے ایک ہم آہنگی کی ضرورت ہوتی ہے، جو کہ وقت کے الٹ جانے والی توازن ہے۔ اس کا مطلب ہے کہ مواد کو مقناطیسی ہونے کی ضرورت ہے، یا ہمیں ایک بہت بڑے بیرونی مقناطیسی میدان کی ضرورت ہے۔

لیکن دوسرے ٹاپولوجیکل مراحل کو ہم آہنگی کی ضرورت ہوتی ہے، اور ہم یہ شناخت کرنے میں کامیاب ہو گئے کہ وہ کون سی ہم آہنگی تھیں۔ پھر، ایک بار جب ہم تمام ہم آہنگی کی شناخت کر لیتے ہیں، تو ہم ان کی درجہ بندی کر سکتے ہیں - کیونکہ آخر میں، طبیعیات دان یہی کرتے ہیں۔ ہم چیزوں کی درجہ بندی کرتے ہیں۔

ہم نے 2017 میں نظریاتی تشکیل پر کام شروع کیا، اور دو سال بعد، ہم نے اس نظریاتی تشکیل سے متعلق پہلا مقالہ شائع کیا۔ لیکن یہ صرف اب ہے کہ ہم نے آخر کار سب کچھ مکمل کر لیا ہے اور اسے شائع کیا.

اس کوشش میں آپ کے ساتھی کون تھے اور ہر شخص نے کیسے تعاون کیا؟

میں نے پہلے اصولوں کے حسابات کو ڈیزائن کیا (اور جزوی طور پر انجام دیا) جس میں ہم نے اس بات پر غور کیا کہ اصلی مواد کی نقل کیسے کی جائے اور "تشخیص" کیا جائے کہ آیا ان میں ٹاپولوجیکل خصوصیات ہیں۔ اس کے لیے، ہم نے جدید ترین کوڈز اور گھریلو کوڈز کا استعمال کیا جو ہمیں بتاتے ہیں کہ مواد کے الیکٹران کیسے برتاؤ کرتے ہیں اور ہم مواد کی ٹاپولوجیکل خصوصیات کی درجہ بندی کیسے کر سکتے ہیں۔ نظریاتی تشکیل اور تجزیہ کی طرف سے کیا گیا تھا بینجمن وائیڈر اور Luis Elcoro کیونکہ وہ زیادہ کٹر نظریاتی طبیعیات دان ہیں۔ انہوں نے ٹاپولوجیکل مراحل کا تجزیہ اور درجہ بندی کرنے میں مدد کی۔ ایک اور بہت اہم شراکت دار اور اس منصوبے کا سرکردہ آدمی تھا۔ نکولس ریگنالٹ; ہم نے مل کر ویب سائٹ بنائی اور ویب سائٹ اور ڈیٹا بیس کو ڈیزائن کرنے کا خیال رکھا۔

ہماری طرف سے بھی مدد لی گئی۔ اسٹورٹ پارکن اور کلاڈیا فیلسر. وہ مواد کے ماہر ہیں، اس لیے وہ ہمیں مشورہ دے سکتے ہیں کہ آیا کوئی مواد موزوں تھا یا نہیں۔ اور پھر آندرے برنیویگ ہر چیز کا کوآرڈینیٹر تھا۔ ہم کئی سالوں سے ایک ساتھ کام کر رہے ہیں۔

اور آپ کو کیا ملا؟

ہم نے جو پایا وہ یہ ہے کہ بہت سے، بہت سے مواد ہیں جن میں ٹاپولوجیکل خصوصیات ہیں - ان میں سے دسیوں ہزار۔

کیا آپ نمبر دیکھ کر حیران ہوئے؟

جی ہاں. بہت!

یہ دیکھتے ہوئے کہ یہ ٹاپولوجیکل خصوصیات کتنی ہر جگہ نکلی ہیں، یہ تقریباً حیران کن لگتا ہے کہ آپ حیران تھے۔ پہلے کسی نے نوٹس کیوں نہیں کیا؟

مجھے نہیں معلوم کہ کمیونٹی کی طرف سے اسے مکمل طور پر کیوں یاد کیا گیا، لیکن یہ صرف ہماری کمیونٹی ہی نہیں جو میٹریل سائنس اور کنڈینسڈ میٹر فزکس میں اس سے محروم رہی۔ کوانٹم میکانکس ایک صدی سے پہلے ہی موجود ہے، اور یہ ٹاپولوجیکل خصوصیات لطیف ہیں، لیکن یہ زیادہ پیچیدہ نہیں ہیں۔ اس کے باوجود کوانٹم میکانکس کے تمام ہوشیار "باپ" اس نظریاتی تشکیل کو مکمل طور پر بھول گئے۔

کیا کسی نے ان مواد کو ترکیب کرنے اور یہ دیکھنے کی کوشش کی ہے کہ آیا وہ واقعی ٹوپولوجیکل انسولیٹر کے طور پر برتاؤ کرتے ہیں؟

ان سب کی جانچ نہیں کی گئی ہے، یقیناً، کیونکہ بہت سارے ہیں۔ لیکن ان میں سے کچھ کے پاس ہے۔ ایسے نئے ٹاپولوجیکل مواد ہیں جو تجرباتی طور پر اس کام کے بعد بنائے گئے ہیں، جیسے ہائی آرڈر ٹوپولاجیکل انسولیٹر Bi4Br4۔

۔ ٹاپولوجیکل میٹریلز ڈیٹا بیس آپ اور آپ کے ساتھیوں کی تعمیر کو "ٹپولوجیکل مواد کے لیے ایک متواتر جدول" کے طور پر بیان کیا گیا ہے۔ کیا خصوصیات اس کی ساخت کا تعین کرتی ہیں؟

ٹاپولوجیکل خصوصیات کا تعلق الیکٹرانک کرنٹ سے ہے، جو کہ مواد کی عالمی ملکیت ہے۔ طبیعیات دانوں نے پہلے ٹوپولوجی کے بارے میں نہ سوچنے کی ایک وجہ یہ ہے کہ وہ عالمی خصوصیات کے بجائے مقامی خصوصیات پر بہت زیادہ توجہ مرکوز رکھتے تھے۔ تو اس لحاظ سے، اہم خاصیت کا تعلق چارج کے لوکلائزیشن سے ہے اور یہ کہ چارج کی حقیقی جگہ میں تعریف کیسے کی جاتی ہے۔

ہم نے جو پایا وہ یہ ہے کہ اگر ہم مواد کی کرسٹل لائن ہم آہنگی کو جانتے ہیں، تو ہم اندازہ لگا سکتے ہیں کہ چارج کا طرز عمل کیا ہو گا یا بہہ رہا ہے۔ اور اس طرح ہم ٹاپولوجیکل مراحل کی درجہ بندی کر سکتے ہیں۔

ٹاپولوجیکل میٹریلز ڈیٹا بیس کیسے کام کرتا ہے؟ محققین کیا کرتے ہیں جب وہ اسے استعمال کرتے ہیں؟

پہلے، وہ مواد کے کیمیائی فارمولے میں داخل ہوتے ہیں۔ مثال کے طور پر، اگر آپ نمک میں دلچسپی رکھتے ہیں، تو فارمولا سوڈیم کلورائیڈ ہے۔ لہذا آپ ڈیٹا بیس میں NaCl ڈالتے ہیں اور آپ کلک کرتے ہیں، اور پھر تمام خصوصیات ظاہر ہوتی ہیں۔ یہ بہت آسان ہے۔

رکو، کیا آپ کہہ رہے ہیں کہ عام ٹیبل نمک ایک ٹاپولوجیکل مواد ہے؟

جی ہاں.

سچ میں؟

جی ہاں.

یہ حیرت انگیز ہے۔ مانوس مواد کی ٹاپولوجیکل خصوصیات والے لوگوں کو حیران کرنے کے علاوہ، آپ کو امید ہے کہ آپ کے ڈیٹا بیس کا فیلڈ پر کیا اثر پڑے گا؟

مجھے امید ہے کہ اس سے تجربہ کاروں کو یہ معلوم کرنے میں مدد ملے گی کہ انہیں کون سا مواد بڑھنا چاہیے۔ اب جب کہ ہم نے تمام مادی خصوصیات کے مکمل اسپیکٹرم کا تجزیہ کر لیا ہے، تجرباتی ماہرین یہ کہنے کے قابل ہوں گے، "ٹھیک ہے، یہ مواد الیکٹران کی نقل و حمل کے نظام میں ہے جس کے بارے میں ہم جانتے ہیں کہ اچھا نہیں ہے، لیکن اگر میں اسے کچھ الیکٹرانوں کے ساتھ ڈوپ کرتا ہوں، تو ہم ایک بہت ہی دلچسپ حکومت تک پہنچیں۔" لہذا ہم امید کرتے ہیں کہ ایک لحاظ سے، یہ تجربہ کاروں کو اچھا مواد تلاش کرنے میں مدد کرے گا۔

کوانٹم کمپیوٹنگ کے ممکنہ لنک کی وجہ سے حال ہی میں ٹاپولوجیکل مواد پر بہت زیادہ توجہ دی گئی ہے۔ کیا یہ آپ کے کام میں ایک بڑا محرک ہے؟

یہ متعلقہ ہے، لیکن ہر شعبے کی مختلف شاخیں ہیں، اور میں کہوں گا کہ ہمارا کام ایک مختلف شاخ میں ہے۔ بلاشبہ، آپ کو کسی بھی ممکنہ کوئبٹس (کوانٹم بٹس) کا استعمال کرتے ہوئے ایک ٹاپولوجیکل کوانٹم کمپیوٹر تیار کرنے کے لیے ایک پلیٹ فارم کے طور پر ٹاپولوجیکل مواد کی ضرورت ہے، اس لیے ہم نے جو کیا وہ اس کے لیے اہم ہے۔ لیکن ٹاپولوجیکل کوانٹم کمپیوٹر تیار کرنے کے لیے مواد کے ڈیزائن پر بہت زیادہ کام کی ضرورت ہوگی کیونکہ مواد کا طول و عرض ایک اہم کردار ادا کرتا ہے۔ ہم تین جہتوں کو دیکھ رہے تھے، اور یہ ہو سکتا ہے کہ کوانٹم کمپیوٹنگ پلیٹ فارمز کے لیے، ہمیں 2D سسٹمز پر توجہ مرکوز کرنے کی ضرورت ہوگی۔

دیگر ایپلی کیشنز ہیں، اگرچہ. آپ ڈیٹا بیس کو شمسی خلیوں کے لیے مواد تلاش کرنے کے لیے استعمال کر سکتے ہیں، مثال کے طور پر، یا کیٹالیسس، ڈیٹیکٹر یا کم کھپت والے الیکٹرانک آلات کے لیے۔ انتہائی غیر ملکی ایپلی کیشنز کے علاوہ، یہ روز مرہ کے امکانات بھی بہت اہم ہیں۔ لیکن اس کام کے لیے ہمارا اصل محرک ٹوپولوجی کی فزکس کو سمجھنا تھا۔

ہزاروں مادوں پر مشتمل کیٹلاگ میں ٹاپولوجیکل مواد کی ہر جگہ انکشاف

آپ اور آپ کے ساتھیوں کے لیے آگے کیا ہے؟

میں نامیاتی مواد پر تحقیق کرنا چاہوں گا۔ موجودہ ڈیٹا بیس میں فوکس غیر نامیاتی مواد پر ہے کیونکہ ہم نے غیر نامیاتی کرسٹل سٹرکچر ڈیٹا بیس کو اپنے نقطہ آغاز کے طور پر لیا، لیکن نامیاتی مواد بھی بہت دلچسپ ہیں۔ میں مزید مقناطیسی مواد کی بھی چھان بین کرنا چاہوں گا، کیونکہ ڈیٹا بیس میں غیر مقناطیسی مواد کی نسبت کم مقناطیسی مواد کی اطلاع دی گئی ہے۔ اور پھر میں ایسے مواد کو دیکھنا چاہتا ہوں جن میں chiral symmetries ہیں – یعنی، وہ ہم آہنگ ہیں، لیکن "handed" کہ ان کے پاس بائیں ورژن اور ایک دائیں ورژن ہے۔

کیا آپ کو لگتا ہے کہ نامیاتی یا مقناطیسی مواد کے درمیان ہزاروں اور ٹاپولوجیکل مواد ہوسکتے ہیں؟

مجھ نہیں پتہ. یہ الیکٹرانک بینڈ گیپ کے سائز پر منحصر ہے۔ ہم دیکھیں گے!