Forskere udvikler måde at identificere topologiske materialer

I årtierne siden de først blev teoretiseret, forskere har antydet, at topologiske materialers eksotiske egenskaber - det vil sige materialer, der bevarer deres elektriske egenskaber selv i lyset af radikale temperaturskift eller strukturelle deformationer-kan resultere i alt fra mere energieffektiv elektronik til udvikling af nye superledere og kvantecomputere.

Problemet, imidlertid, er, at det er frustrerende svært at identificere materialerne med disse egenskaber.

For at fremskynde processen, Professor i fysik Ashvin Vishwanath og hans kolleger gennemførte en række undersøgelser for at udvikle metoder til effektivt at identificere nye materialer, der viser topologiske egenskaber.

De to første, udgivet i Naturkommunikation og Videnskab fremskridt , og medforfatter med MIT Fellow Hoi Chun "Adrian" Po, Ph.d. '18, og professor Haruki Watanabe fra Tokyo University, lægge grunden til at bygge bro mellem de relevante abstrakte matematiske begreber med det pragmatiske problem med materialefund. Sekundet, udgivet i Natur denne februar og medforfatter med Po og Feng Tang og Xingang Wan, fra Nanjing University, demonstrerer tilgangen og forudsiger tusinder af topologiske materialekandidater.

"I de tidlige dage, en stor indsats var fokuseret på at kunne forudsige, om et materiale ville være en isolator eller metallisk, "Sagde Vishwanath." For omkring 10 eller 20 år siden, selvom, folk indså, at vi kunne producere disse topologiske materialer. "

Topologiske materialer trodser denne simple dikotomi. For eksempel, de kan have et elektrisk isolerende interiør, som er pakket ind i en tynd skind af metal. Tilstedeværelsen af ​​denne metalliske belægning er beskyttet af topologi, et matematisk begreb, der vedrører egenskaber, der er robuste over for små fysiske ændringer af systemet. Med andre ord, hvis du forsøger at skrælle den metalliske hud af en topologisk isolator af, laget nedenunder vil pludselig blive metallisk.

"Indblik i matematikken i disse eksotiske materialer ville hjælpe os med at finde virkelige materialer med disse topologiske egenskaber, "Sagde Po." Lige nu, den måde, folk gør dette på, er virkelig mere et gæt ... hvad vi ville gøre er at komme med effektive måder at diagnosticere, om de materialer, du er interesseret i, har en god chance for at have topologiske egenskaber. "

Den krævede indsigt giver en god forståelse af, hvordan elektronernes adfærd er sammenflettet med symmetrierne i et materiales krystalstruktur, som kan ses som en næsten uendelig række af atomer samlet til sarte mønstre. Disse mønstre forbliver ofte uændrede, hvis du vipper dit hoved 90 grader, eller afspejle dem i et spejl. I fysikken er denne egenskab kendt som symmetri. I de to første papirer, Vishwanath og hans samarbejdspartnere udførte en systematisk undersøgelse af denne spændende sammenfletning mellem elektroner og symmetrier.

"Det første problem er det enorme antal måder, hvorpå atomer kan danne krystaller, "sagde han." Selvom du glemmer den kemiske kompleksitet, glem hvilke elementer der er derinde, bare i strukturen ... bare fra symmetriovervejelser, der er 230 måder, hvorpå du kan sammensætte atomer til krystaller. "

Og kompleksiteten slutter ikke der. Når magnetisme er indarbejdet, stiger antallet dramatisk, fra 230 til 1, 651.

En løsning på problemet, Watanabe sagde, ville være at teste alle mulige kombinationer for at nå frem til en endelig løsning, men det giver ikke nogen indsigt i, hvad der skaber de topologiske tilstande, forskere er ude efter.

”Vi tog en anden tilgang, "sagde han." Nøgleidéen var ... vi fandt en effektiv måde at omformulere problemet på, så elektroners symmetriegenskaber blev kortlagt til koordinater i et eller andet højdimensionelt rum. "

Disse koordinater er som adresser, og teamet kunne fortælle, om et materiale var isolerende, metallisk, eller topologisk baseret på dens symmetriindikator - analogen af ​​et postnummer.

Vigtigere, dette "postnummer" kan let karakteriseres. "Mens analysen af ​​hver magnetisk rumgruppe tidligere ville have taget en kandidatstuderende om dagen for at finde ud af, "Sagde Po, "vores nye formulering muliggør en simpel automatisering af opgaven, som er afsluttet på en bærbar computer til alle 1, 651 tilfælde på en halv dag. "

Den nye Natur undersøgelse bygger på ideerne skitseret i de tidligere værker, anvende dem til at analysere eksisterende materialedatabaser til opdagelse af topologiske materialekandidater. Arbejde med samarbejdspartnere i Kina, Vishwanath sagde, teamet var i stand til hurtigt at diagnosticere de topologiske egenskaber ved titusinder af materialer ved hjælp af symmetriindikatorer.

"På en måde, det er fase to, "sagde han om Natur undersøgelse. "Det beviser nytten af ​​symmetriindikatorerne."

"Det er ikke en komplet gratis frokost, "sagde han." Det er ikke, at man ser på krystallen og detaljeret analyserer, hvad elektronerne gør. Hellere, vi ser kun på et meget lille aspekt af et kompliceret system, så det er lidt ligesom Sherlock Holmes - ud fra ganske få spor kan vi faktisk udlede en masse om egenskaberne ved et system. "

Håbet, Vishwanath sagde, er, at disse undersøgelser vil bane vejen for at udvikle et "bibliotek" af topologiske materialer, der derefter kan karakteriseres yderligere og potentielt kan bruges til en lang række forskellige applikationer.

"Der er nogle materialer, der forudsiges at have topologiske egenskaber, men som vi ikke har et eksempel på, "sagde han." I andre tilfælde, vi har måske kun en slags topologisk tilstand ... men vi vil måske have andre, ikke bare det ene eksempel, folk har fundet før. "

Denne historie er udgivet med tilladelse fra Harvard Gazette, Harvard Universitets officielle avis. For yderligere universitetsnyheder, besøg Harvard.edu.