Bảng tuần hoàn vật liệu topo

Vật liệu topo là gì?

Vật liệu tôpô thú vị nhất là chất cách điện tôpô, là những vật liệu cách điện ở khối lượng lớn nhưng dẫn điện trên bề mặt. Ở những vật liệu này, các kênh dẫn điện nơi dòng điện chạy qua rất chắc chắn. Chúng tồn tại độc lập với một số nhiễu loạn bên ngoài mà người ta có thể gặp phải trong các thí nghiệm, chẳng hạn như sự rối loạn yếu hoặc dao động nhiệt độ, và chúng cũng không phụ thuộc vào kích thước. Điều này rất thú vị vì nó có nghĩa là những vật liệu này có điện trở không đổi, độ dẫn điện không đổi. Việc kiểm soát chặt chẽ dòng điện tử như vậy rất hữu ích cho nhiều ứng dụng.

Một số ví dụ về chất cách điện tôpô là gì?

Ví dụ nổi tiếng nhất có lẽ là gallium arsenide, một chất bán dẫn hai chiều thường được sử dụng trong các thí nghiệm về hiệu ứng Hall lượng tử nguyên. Trong thế hệ chất cách điện tôpô mới hơn, chất được biết đến nhiều nhất là bismuth selenide, nhưng chất này không nhận được nhiều sự chú ý rộng rãi.

Tại sao bạn và đồng nghiệp quyết định tìm kiếm vật liệu tôpô mới?

Vào thời điểm đó, chỉ có một vài loại trên thị trường và chúng tôi nghĩ: “Được rồi, nếu chúng ta có thể phát triển một phương pháp có thể tính toán hoặc chẩn đoán cấu trúc liên kết một cách nhanh chóng, chúng ta có thể xem liệu có vật liệu nào có đặc tính tối ưu hơn hay không”.

Một ví dụ về thuộc tính được tối ưu hóa là khoảng cách băng tần điện tử. Thực tế là những vật liệu này có tính chất cách điện ở khối lượng lớn có nghĩa là trong khối có một dải năng lượng mà các electron không thể đi qua. Dải năng lượng “bị cấm” này chính là vùng cấm điện tử, và các electron không thể di chuyển trong vùng đó mặc dù chúng có thể tồn tại trên bề mặt vật liệu. Khoảng cách dải điện tử của vật liệu càng lớn thì chất cách điện tôpô càng tốt.

Bạn đã tìm kiếm những vật liệu topo mới như thế nào?

Chúng tôi đã phát triển một thuật toán dựa trên sự đối xứng tinh thể của vật liệu, đây là điều chưa được tính đến trước đây. Tính đối xứng của tinh thể rất quan trọng khi xử lý cấu trúc liên kết vì một số vật liệu tôpô nhất định và một số pha tôpô cần có sự đối xứng cụ thể (hoặc thiếu tính đối xứng) để tồn tại. Ví dụ, hiệu ứng Hall lượng tử nguyên không cần đến sự đối xứng nào cả, nhưng nó cần một sự đối xứng để bị phá vỡ, đó là sự đối xứng nghịch đảo thời gian. Điều đó có nghĩa là vật liệu cần phải có từ tính, hoặc chúng ta cần một từ trường bên ngoài rất lớn.

Nhưng các giai đoạn tôpô khác thực sự cần có sự đối xứng và chúng tôi đã xác định được chúng là những đối xứng nào. Sau đó, khi đã xác định được tất cả các đối xứng, chúng ta có thể phân loại chúng – bởi vì cuối cùng, đó là điều các nhà vật lý làm. Chúng tôi phân loại mọi thứ.

Chúng tôi bắt đầu nghiên cứu công thức lý thuyết vào năm 2017 và hai năm sau, chúng tôi xuất bản bài báo đầu tiên liên quan đến công thức lý thuyết này. Nhưng chỉ đến bây giờ chúng tôi mới hoàn thành mọi việc và xuất bản nó.

Ai là người cộng tác của bạn trong nỗ lực này và mỗi người đã đóng góp như thế nào?

Tôi đã thiết kế (và, một phần, đã thực hiện) các phép tính theo nguyên tắc đầu tiên, trong đó chúng tôi xem xét cách mô phỏng các vật liệu thực và “chẩn đoán” xem chúng có các đặc tính tôpô hay không. Để làm được điều đó, chúng tôi đã sử dụng các mã hiện đại và các mã tự chế cho chúng tôi biết cách hoạt động của các electron trong vật liệu cũng như cách chúng tôi có thể phân loại các đặc tính tôpô của vật liệu. Việc xây dựng và phân tích lý thuyết được thực hiện bởi Benjamin Wieder và Luis Elcoro vì họ là những nhà vật lý lý thuyết khó tính hơn. Họ đã giúp phân tích và phân loại các giai đoạn tôpô. Một người đóng góp rất quan trọng khác và là người đứng đầu dự án này là Nicolas Regnault; chúng tôi đã cùng nhau xây dựng trang web và đảm nhiệm việc thiết kế trang web và cơ sở dữ liệu.

Chúng tôi cũng đã nhận được sự giúp đỡ từ Stuart parkin và Claudia Felser. Họ là những chuyên gia về vật liệu nên họ có thể cho chúng tôi lời khuyên về việc vật liệu đó có phù hợp hay không. Và sau đó Andrei Bernevig là người điều phối mọi việc. Chúng tôi đã làm việc cùng nhau được vài năm rồi.

Và bạn đã tìm thấy gì?

Những gì chúng tôi tìm thấy là có rất nhiều vật liệu có đặc tính tôpô - hàng chục nghìn trong số đó.

Bạn có ngạc nhiên về con số này không?

Đúng. Rất!

Với mức độ phổ biến của những đặc tính tôpô này, có vẻ gần như đáng ngạc nhiên khi bạn ngạc nhiên. Tại sao trước đây không có ai chú ý đến?

Tôi không biết tại sao cộng đồng lại bỏ qua nó hoàn toàn, nhưng không chỉ cộng đồng của chúng tôi trong lĩnh vực khoa học vật liệu và vật lý vật chất ngưng tụ mới bỏ lỡ nó. Cơ học lượng tử đã tồn tại được một thế kỷ và những tính chất tôpô này tuy tinh tế nhưng không phức tạp lắm. Tuy nhiên, tất cả những “cha đẻ” thông minh của cơ học lượng tử đã hoàn toàn bỏ sót công thức lý thuyết này.

Có ai đã thử tổng hợp những vật liệu này và kiểm tra xem liệu chúng có thực sự hoạt động như chất cách điện tôpô không?

Tất nhiên, không phải tất cả chúng đều đã được kiểm tra vì có rất nhiều. Nhưng một số trong số họ có. Có những vật liệu tôpô mới đã được tạo ra bằng thực nghiệm sau công trình này, chẳng hạn như chất cách điện tôpô bậc cao Bi4Br4.

Sản phẩm Cơ sở dữ liệu vật liệu tôpô mà bạn và các đồng nghiệp của bạn đã xây dựng được mô tả là “một bảng tuần hoàn các vật liệu tôpô”. Những tính chất nào xác định cấu trúc của nó?

Các đặc tính tôpô có liên quan đến dòng điện tử, đây là đặc tính chung của vật liệu. Một trong những lý do khiến các nhà vật lý có thể chưa từng nghĩ đến cấu trúc liên kết trước đây là vì họ rất tập trung vào các tính chất cục bộ hơn là các tính chất toàn cầu. Vì vậy, theo nghĩa này, tính chất quan trọng liên quan đến việc định vị điện tích và cách xác định điện tích trong không gian thực.

Những gì chúng tôi tìm thấy là nếu chúng tôi biết tính đối xứng tinh thể của vật liệu, chúng tôi có thể dự đoán hành vi của điện tích sẽ diễn ra hoặc chuyển động như thế nào. Và đó là cách chúng ta có thể phân loại các giai đoạn tôpô.

Cơ sở dữ liệu vật liệu tô pô hoạt động như thế nào? Các nhà nghiên cứu làm gì khi họ sử dụng nó?

Đầu tiên, họ nhập công thức hóa học của vật liệu. Ví dụ: nếu bạn quan tâm đến muối, công thức là natri clorua. Vì vậy, bạn đặt NaCl vào cơ sở dữ liệu và nhấp chuột, sau đó tất cả các thuộc tính sẽ xuất hiện. Nó rất đơn giản.

Đợi đã, ý bạn là muối ăn thông thường là vật liệu tôpô phải không?

Vâng.

Thực sự?

Vâng.

Thật ngạc nhiên. Ngoài việc khiến mọi người ngạc nhiên về các đặc tính tôpô của các vật liệu quen thuộc, bạn hy vọng cơ sở dữ liệu của mình sẽ có tác động gì đến thực địa?

Tôi hy vọng nó sẽ giúp các nhà thực nghiệm tìm ra loại vật liệu nào họ nên phát triển. Bây giờ chúng ta đã phân tích toàn bộ quang phổ của tất cả các đặc tính của vật liệu, các nhà thực nghiệm có thể nói, “Được rồi, vật liệu này ở chế độ vận chuyển điện tử mà chúng ta biết là không tốt, nhưng nếu tôi kích thích nó với một số điện tử, thì chúng ta sẽ đạt tới một chế độ rất thú vị.” Vì vậy, chúng tôi hy vọng, ở một khía cạnh nào đó, nó sẽ giúp các nhà thực nghiệm tìm ra những vật liệu tốt.

Gần đây, rất nhiều sự chú ý đã đổ dồn vào các vật liệu tôpô vì có thể có mối liên hệ với điện toán lượng tử. Đó có phải là động lực lớn trong công việc của bạn?

Nó có liên quan, nhưng mỗi lĩnh vực đều có các nhánh khác nhau và tôi có thể nói rằng công việc của chúng tôi thuộc một nhánh khác. Tất nhiên, bạn cần một vật liệu tôpô làm nền tảng để phát triển máy tính lượng tử tôpô sử dụng bất kỳ qubit (bit lượng tử) nào có thể đã được đề xuất, vì vậy những gì chúng tôi đã làm rất quan trọng cho điều đó. Nhưng việc phát triển một máy tính lượng tử tôpô sẽ đòi hỏi nhiều công sức hơn về thiết kế vật liệu vì kích thước của vật liệu đóng một vai trò quan trọng. Chúng tôi đang xem xét ba chiều và có thể là đối với các nền tảng điện toán lượng tử, chúng tôi cần tập trung vào hệ thống 2D.

Tuy nhiên, vẫn có những ứng dụng khác. Ví dụ: bạn có thể sử dụng cơ sở dữ liệu để tìm vật liệu cho pin mặt trời hoặc cho chất xúc tác, máy dò hoặc thiết bị điện tử có độ tiêu tán thấp. Ngoài những ứng dụng siêu kỳ lạ, những khả năng hàng ngày này cũng rất quan trọng. Nhưng động lực thực sự của chúng tôi cho công việc này là để hiểu được tính chất vật lý của cấu trúc liên kết.

Sự phổ biến của các vật liệu cấu trúc liên kết được tiết lộ trong danh mục chứa hàng nghìn chất

Điều gì tiếp theo cho bạn và cộng tác viên của bạn?

Tôi muốn nghiên cứu về vật liệu hữu cơ. Trọng tâm trong cơ sở dữ liệu hiện tại là các vật liệu vô cơ vì chúng tôi đã lấy Cơ sở dữ liệu cấu trúc tinh thể vô cơ làm điểm khởi đầu, nhưng các vật liệu hữu cơ cũng rất thú vị. Tôi cũng muốn nghiên cứu nhiều vật liệu từ tính hơn, vì có ít vật liệu từ tính được báo cáo trong cơ sở dữ liệu hơn những vật liệu không từ tính. Và sau đó tôi muốn xem xét những vật liệu có đối xứng bất đối xứng - nghĩa là chúng đối xứng, nhưng “thuận tay” ở chỗ chúng có phiên bản bên trái và phiên bản bên phải.

Bạn có nghĩ rằng ngoài kia có thể có thêm hàng nghìn vật liệu tôpô trong số các vật liệu hữu cơ hoặc từ tính không?

Tôi không biết. Nó phụ thuộc vào kích thước của khoảng cách băng tần điện tử. Chúng ta sẽ thấy!