Er det topologisk? En ny materialedatabase har svaret

Hvad skal der til for at gøre vores elektronik smartere, hurtigere og mere modstandsdygtig? En idé er at bygge dem af materialer, der er topologiske.

Topologi stammer fra en gren af ​​matematikken, der studerer former, der kan manipuleres eller deformeres uden at miste visse kerneegenskaber. En doughnut er et almindeligt eksempel:Hvis den var lavet af gummi, kunne en doughnut vrides og presses ind i en helt ny form, såsom et kaffekrus, mens den bibeholdt et centralt træk - nemlig dens midterhul, som har form af koppens håndtag. Hullet, i dette tilfælde, er et topologisk træk, robust mod visse deformationer.

I de senere år har videnskabsmænd anvendt topologibegreber til opdagelsen af ​​materialer med tilsvarende robuste elektroniske egenskaber. I 2007 forudsagde forskere de første elektroniske topologiske isolatorer - materialer, hvor elektroner opfører sig på måder, der er "topologisk beskyttet" eller vedvarende i lyset af visse forstyrrelser.

Siden da har forskere søgt efter mere topologiske materialer med det formål at bygge bedre og mere robuste elektroniske enheder. Indtil for nylig blev kun en håndfuld af sådanne materialer identificeret, og blev derfor antaget at være en sjældenhed.

Nu har forskere ved MIT og andre steder opdaget, at der faktisk findes topologiske materialer overalt, hvis man ved, hvordan man leder efter dem.

I et papir udgivet i Science , holdet, ledet af Nicolas Regnault fra Princeton University og École Normale Supérieure Paris, rapporterer, at de udnytter kraften fra flere supercomputere til at kortlægge den elektroniske struktur af mere end 96.000 naturlige og syntetiske krystallinske materialer. De anvendte sofistikerede filtre for at bestemme, om og hvilken slags topologiske træk der findes i hver struktur.

Samlet set fandt de ud af, at 90 procent af alle kendte krystallinske strukturer indeholder mindst én topologisk egenskab, og mere end 50 procent af alle naturligt forekommende materialer udviser en form for topologisk adfærd.

"Vi fandt ud af, at der er en allestedsnærværende - topologi er overalt," siger Benjamin Wieder, studiets medleder og en postdoc i MIT's Institut for Fysik.

Holdet har samlet de nyligt identificerede materialer i en ny, frit tilgængelig topologisk materialedatabase, der ligner en periodisk tabel over topologi. Med dette nye bibliotek kan videnskabsmænd hurtigt søge i materialer af interesse for de topologiske egenskaber, de måtte have, og udnytte dem til at bygge transistorer med ultralav effekt, ny magnetisk hukommelseslagring og andre enheder med robuste elektroniske egenskaber.

Artiklen inkluderer medforfatter Maia Vergniory fra Vergniory af Donostia International Physics Center, Luis Elcoro fra University of Baskerlandet, Stuart Parkin og Claudia Felser fra Max Planck Institute og Andrei Bernevig fra Princeton University.

Ud over intuition

Det nye studie var motiveret af et ønske om at fremskynde den traditionelle søgning efter topologiske materialer.

"Måden de originale materialer blev fundet på var gennem kemisk intuition," siger Wieder. "Den tilgang havde mange tidlige succeser. Men da vi teoretisk forudsagde flere slags topologiske faser, så det ud til, at intuitionen ikke førte os ret langt."

Wieder og hans kolleger brugte i stedet en effektiv og systematisk metode til at udrydde tegn på topologi, eller robust elektronisk adfærd, i alle kendte krystallinske strukturer, også kendt som uorganiske faststofmaterialer.

Til deres undersøgelse kiggede forskerne på Uorganisk Crystal Structure Database, eller ICSD, et depot, hvori forskerne indtaster de atomare og kemiske strukturer af krystallinske materialer, som de har studeret. Databasen indeholder materialer, der findes i naturen, såvel som dem, der er blevet syntetiseret og manipuleret i laboratoriet. ICSD er i øjeblikket den største materialedatabase i verden, der indeholder over 193.000 krystaller, hvis strukturer er blevet kortlagt og karakteriseret.

Holdet downloadede hele ICSD, og ​​efter at have udført noget datarensning for at luge ud i strukturer med korrupte filer eller ufuldstændige data, stod forskerne tilbage med lidt over 96.000 bearbejdelige strukturer. For hver af disse strukturer udførte de et sæt beregninger baseret på grundlæggende viden om forholdet mellem kemiske bestanddele, for at producere et kort over materialets elektroniske struktur, også kendt som elektronbåndstrukturen.

Holdet var i stand til effektivt at udføre de komplicerede beregninger for hver struktur ved hjælp af flere supercomputere, som de derefter brugte til at udføre et andet sæt operationer, denne gang for at screene for forskellige kendte topologiske faser eller vedvarende elektrisk adfærd i hvert krystalmateriale.

"Vi leder efter signaturer i den elektroniske struktur, hvori visse robuste fænomener skulle forekomme i dette materiale," forklarer Wieder, hvis tidligere arbejde involverede raffinering og udvidelse af screeningsteknikken, kendt som topologisk kvantekemi.

Fra deres high-throughput-analyse opdagede holdet hurtigt et overraskende stort antal materialer, der er naturligt topologiske, uden nogen eksperimentel manipulation, såvel som materialer, der kan manipuleres, for eksempel med let eller kemisk doping, for at udvise en slags robust elektronisk adfærd. De opdagede også en håndfuld materialer, der indeholdt mere end én topologisk tilstand, når de blev udsat for visse forhold.

"Topologiske faser af stof i 3D-faststofmaterialer er blevet foreslået som steder for at observere og manipulere eksotiske effekter, herunder interkonvertering af elektrisk strøm og elektronspin, bordpladesimulering af eksotiske teorier fra højenergifysik, og endda under rigtige forhold, opbevaring og manipulation af kvanteinformation," bemærker Wieder.

For eksperimentelister, der studerer sådanne effekter, siger Wieder, at holdets nye database nu afslører en række nye materialer at udforske. + Udforsk yderligere

Fremskridt og udsigter i magnetiske topologiske materialer