Gode ​​nyheder til fremtidens teknologi:Eksotiske topologiske materialer er overraskende almindelige

I et stort skridt fremad for et forskningsområde, der tjente Nobelprisen i fysik i 2016, et internationalt team har fundet ud af, at stoffer med eksotisk elektronisk adfærd kaldet topologiske materialer faktisk er ret almindelige, og inkluderer dagligdags elementer som arsen og guld. Teamet oprettede et online katalog for at gøre det let at designe nye topologiske materialer ved hjælp af elementer fra det periodiske system.

Disse materialer har uventede og mærkelige egenskaber, der har forskudt forskernes forståelse af, hvordan elektroner opfører sig. Forskere håber, at disse stoffer kunne danne grundlag for fremtidens teknologier, såsom lavt strømforbrug og kvantecomputing.

"Når analysen var udført og alle fejl blev rettet, resultatet var forbløffende:mere end en fjerdedel af alle materialer udviser en slags topologi, "sagde B. Andrei Bernevig, en seniorforfatter på papiret og professor i fysik ved Princeton. "Topologi er allestedsnærværende i materialer, ikke esoterisk. "

Topologiske materialer er spændende, fordi deres overflader kan lede elektricitet uden modstand, så de er potentielt hurtigere og mere energieffektive end nutidens teknologier. Deres navn kommer fra en underliggende teori, der trækker på topologi, en gren af ​​matematik, der beskriver objekter ved deres evne til at blive strakt eller bøjet.

Begyndelsen til den teoretiske forståelse af disse materielle tilstande dannede grundlaget for Nobelprisen i fysik i 2016, delt blandt Princeton University professor F. Duncan Haldane, Sherman Fairchild University Professor i fysik, Michael Kosterlitz fra Brown University, og David J. Thouless, University of Washington, Seattle.

Indtil nu, kun et par hundrede af de mere end 200, 000 kendte uorganiske krystallinske materialer er blevet karakteriseret som topologiske, og de blev anset for at være uregelmæssigheder.

"Når den er fuldført, dette katalog vil indlede en ny æra af topologisk materialedesign, "Bernevig sagde." Dette er begyndelsen på en ny type periodisk tabel, hvor forbindelser og elementer indekseres af deres topologiske egenskaber snarere end af mere traditionelle midler. "

Det internationale team omfattede forskere fra Princeton; Donostia International Physics Center i San Sebastian, Spanien; IKERBASQUE Basque Foundation for Science; baskerlandets universitet; Ecole Normale Superieure Paris og det franske nationale center for videnskabelig forskning; og Max Planck Institute for Chemical Physics of Faststoffer.

Teamet undersøgte omkring 25, 000 uorganiske materialer, hvis atomstrukturer eksperimentelt er kendt med præcision, og klassificeret i den uorganiske krystalstrukturdatabase. Resultaterne viser, at frem for at være sjældne, mere end 27 procent af materialerne i naturen er topologiske.

Den nyoprettede database giver besøgende mulighed for at vælge elementer fra det periodiske system for at oprette forbindelser, som brugeren derefter kan udforske for sine topologiske egenskaber. Flere materialer analyseres i øjeblikket og placeres i en database til fremtidig offentliggørelse.

To faktorer tillod den komplekse opgave at topologisk klassificere de 25, 000 forbindelser.

Først, to år siden, nogle af de nuværende forfattere udviklede en teori, kendt som topologisk kvantekemi og udgivet i Natur i 2017, hvilket muliggjorde klassificering af ethvert materiales topologiske egenskaber ud fra den enkle viden om dets atomers positioner og natur.

Sekund, i den aktuelle undersøgelse, teamet anvendte denne teori på forbindelserne i den uorganiske krystalstrukturdatabase. Derved, forfatterne skulle udtænke, skrive og ændre et stort antal edb -instruktioner til beregning af elektroners energier i materialerne.

"Vi var nødt til at gå ind i disse gamle programmer og tilføje nye moduler, der ville beregne de nødvendige elektroniske egenskaber, "sagde Zhijun Wang, som var en postdoktoral forskningsassistent i Princeton og nu er professor ved Beijing National Laboratory for Condensed Matter Physics og Institute of Physics, Kinesisk videnskabsakademi.

"Derefter havde vi brug for at analysere disse resultater og beregne deres topologiske egenskaber baseret på vores nyudviklede topologiske kvantekemiske metode, "sagde Luis Elcoro, professor ved universitetet i Baskerlandet i Bilbao, Spanien.

Forfatterne skrev flere sæt koder, der opnår og analyserer elektronernes topologi i virkelige materialer. Forfatterne har gjort disse koder tilgængelige for offentligheden via Bilbao Crystallographic Server. Ved hjælp af Max Planck Supercomputer Center i Garching, Tyskland, forskerne kørte derefter deres koder på 25, 000 forbindelser.

"Beregningsmæssigt, det var temmelig utroligt intensive ting, "sagde Nicolas Regnault, professor ved Ecole Normale Superieure, Paris, og en forskningsdirektør ved det franske nationale center for videnskabelig forskning. "Heldigvis, teorien viste os, at vi kun skal beregne en brøkdel af de data, som vi tidligere havde brug for. Vi skal se på, hvad elektronen kun 'gør' i en del af parameterrummet for at opnå systemets topologi. "

"Vores forståelse af materialer blev meget rigere på grund af denne klassificering, "sagde Maia Garcia Vergniory, en forsker ved Donostia International Physics Center i San Sebastian, Spanien. "Det er virkelig den sidste forståelseslinje for materialers egenskaber."

Claudia Felser, professor ved Max Planck Institute for Chemical Physics of Faststoffer i Dresden, Tyskland, havde tidligere forudsagt tidligere, at selv guld er topologisk. "Mange af de materielle egenskaber, vi kender - såsom guldfarven - kan forstås gennem topologisk ræsonnement, "Sagde Felser.

Teamet arbejder nu på at klassificere den topologiske karakter af yderligere forbindelser i databasen. De næste trin involverer at identificere forbindelserne med den bedste alsidighed, ledningsevne og andre egenskaber, og eksperimentelt verificere deres topologiske karakter. "Man kan så drømme om et fuldt topologisk periodisk system, "Sagde Bernevig.

Studiet, "Et komplet katalog over topologiske materialer af høj kvalitet." Af MG Vergniory, L. Elcoro, Claudia Felser, Nicolas Regnault, B. Andrei Bernevig og Zhijun Wang, blev offentliggjort online i tidsskriftet Natur den 28. februar kl. 2019.