拓扑材料的周期表

什么是拓扑材料？

最有趣的拓扑材料是拓扑绝缘体，它们是整体绝缘但表面导电的材料。 在这些材料中，电子电流流动的导电通道非常坚固。 它们的持续存在独立于人们在实验中可能遇到的一些外部干扰，例如弱无序或温度波动，而且它们也与大小无关。 这非常有趣，因为这意味着这些材料具有恒定的电阻和恒定的电导率。 对电流进行如此严格的控制对于许多应用都是有用的。

拓扑绝缘体的一些例子是什么？

最著名的例子可能是砷化镓，它是一种二维半导体，常用于整数量子霍尔效应的实验中。 在新一代拓扑绝缘体中，最著名的是硒化铋，但并未引起广泛关注。

为什么您和您的同事决定寻找新的拓扑材料？

当时，市场上只有少数这种材料，我们想，“好吧，如果我们能开发出一种可以快速计算或诊断拓扑的方法，我们就能看看是否有材料具有更优化的特性。”

优化属性的一个例子是电子带隙。 这些材料在整体上是绝缘的这一事实意味着在整体上存在电子无法通过的能量范围。 这个“禁止”的能量范围就是电子带隙，电子不能在那个区域移动，即使它们可以存在于材料表面。 材料的电子带隙越大，它的拓扑绝缘体就越好。

你是如何着手寻找新的拓扑材料的？

我们开发了一种基于材料晶体对称性的算法，这是以前没有考虑到的。 在处理拓扑时，晶体的对称性非常重要，因为某些拓扑材料和某些拓扑相需要特定的对称性（或缺乏对称性）才能存在。 例如，整数量子霍尔效应根本不需要对称性，但它确实需要打破一个对称性，即时间反演对称性。 这意味着材料需要具有磁性，或者我们需要非常大的外部磁场。

但其他拓扑相确实需要对称性，我们设法确定了它们是哪些对称性。 然后，一旦我们确定了所有的对称性，我们就可以对它们进行分类——因为最终，这就是物理学家所做的。 我们对事物进行分类。

我们从 2017 年开始研究理论公式，两年后，我们发表了第一篇与该理论公式相关的论文。 但直到现在，我们才终于完成了一切， 发表它.

谁是您在这项工作中的合作者，每个人的贡献如何？

我设计（并部分执行）了第一性原理计算，我们在其中考虑了如何模拟真实材料并“诊断”它们是否具有拓扑特性。 为此，我们使用了最先进的代码和自制代码来告诉我们材料电子的行为方式以及我们如何对材料的拓扑特性进行分类。 理论制定和分析由 本杰明维德 和 Luis Elcoro，因为他们是更核心的理论物理学家。 他们帮助分析和分类拓扑相。 另一个非常重要的贡献者和这个项目的领导者是 尼古拉斯·雷格诺; 我们一起建立了网站，并负责设计网站和数据库。

我们也得到了来自 斯图尔特帕金 和 克劳迪娅·费尔瑟. 他们是材料专家，所以他们可以就材料是否合适向我们提供建议。 进而 安德烈·贝内维格 是一切的协调者。 我们已经一起工作了好几年。

你发现了什么？

我们发现有很多很多材料具有拓扑特性——数以万计。

你对这个数字感到惊讶吗？

是的。 非常！

考虑到这些拓扑属性的普遍存在，您感到惊讶似乎几乎令人惊讶。 为什么以前没有人注意到？

我不知道为什么社区完全错过了它，但不仅仅是我们材料科学和凝聚态物理领域的社区错过了它。 量子力学已经存在了一个世纪，这些拓扑性质很微妙，但并不复杂。 然而，所有聪明的量子力学“之父”都完全错过了这个理论公式。

有没有人试过合成这些材料并检查它们是否确实表现为拓扑绝缘体？

当然，并不是所有的都被检查过，因为数量太多了。 但他们中的一些人有。 在这项工作之后，已经通过实验创建了新的拓扑材料，例如高阶拓扑绝缘体 Bi4Br4。

拓扑材料数据库 你和你的同事建造的被描述为“拓扑材料的周期表”。 什么性质决定了它的结构？

拓扑性质与电子电流有关，是材料的全局性质。 物理学家之前可能没有考虑拓扑的原因之一是他们非常关注局部属性，而不是全局属性。 所以从这个意义上说，重要的属性与电荷的定位以及电荷在实际空间中的定义方式有关。

我们发现，如果我们知道材料的晶体对称性，我们就可以预测电荷的行为或流动方式。 这就是我们如何对拓扑阶段进行分类。

拓扑材料数据库如何工作？ 研究人员在使用它时会做什么？

首先，他们输入材料的化学式。 例如，如果您对盐感兴趣，则公式为氯化钠。 因此，您将 NaCl 放入数据库并单击，然后所有属性都会出现。 这很简单。

等等，你是说普通食盐是拓扑材料？

是的。

真的吗？

是的。

太棒了。 除了让人们对熟悉材料的拓扑特性感到惊讶之外，您希望您的数据库对该领域产生什么影响？

我希望它能帮助实验者弄清楚他们应该种植哪些材料。 现在我们已经分析了所有材料特性的全谱，实验者应该能够说，“好吧，这种材料处于我们知道不好的电子传输状态，但如果我用一些电子掺杂它，那么我们就会达成一个非常有趣的制度。” 所以我们希望，从某种意义上说，它能帮助实验者找到好的材料。

由于与量子计算的可能联系，最近拓扑材料引起了很多关注。 这是你工作的一大动力吗？

它是相关的，但是每个领域都有不同的分支，我会说我们的工作在不同的分支。 当然，你需要一种拓扑材料作为平台，使用已经提出的任何可能的量子位（quantum bits）来开发拓扑量子计算机，所以我们所做的事情对此很重要。 但是开发拓扑量子计算机将需要在材料设计方面做更多的工作，因为材料的尺寸起着重要作用。 我们正在研究三个维度，对于量子计算平台，我们可能需要关注二维系统。

不过，还有其他应用程序。 例如，您可以使用该数据库查找用于太阳能电池、催化、检测器或低耗散电子设备的材料。 除了超级奇特的应用程序之外，这些日常的可能性也非常重要。 但我们这项工作的真正动机是了解拓扑物理学。

包含数千种物质的目录中揭示了无处不在的拓扑材料

你和你的合作者接下来要做什么？

我想研究有机材料。 当前数据库的重点是无机材料，因为我们以无机晶体结构数据库为起点，但有机材料也很有趣。 我还想调查更多的磁性材料，因为数据库中报告的磁性材料比非磁性材料少。 然后我想看看具有手性对称性的材料——也就是说，它们是对称的，但是“手性”，因为它们有左手版本和右手版本。

您认为在有机材料或磁性材料中还会有数千种拓扑材料吗？

我不知道。 这取决于电子带隙的大小。 我们拭目以待！