Når et bånd falder fladt:Søger efter fladhed i materialer

At finde de rigtige ingredienser til at skabe materialer med eksotiske kvanteegenskaber har været en kimær for eksperimentelle videnskabsmænd på grund af de uendelige mulige kombinationer af forskellige elementer, der skal syntetiseres.

Fra nu af kunne skabelsen af ​​sådanne materialer fortsætte på en mindre blindfoldet måde takket være et internationalt samarbejde ledet af Andrei Bernevig, Ikerbaskisk gæsteprofessor ved Donostia International Physics Center (DIPC) og professor ved Princeton University, og Nicolas Regnault, fra Princeton University og Ecole Normale Supérieure Paris, CNRS, herunder deltagelse af Luis Elcoro fra Universitetet i Baskerlandet (UPV/EHU).

Holdet gennemførte en systematisk søgning efter potentielle kandidater i en massiv høstak på 55.000 materialer. Elimineringsprocessen startede med identifikation af de såkaldte fladbåndsmaterialer, det vil sige elektroniske tilstande med konstant kinetisk energi. Derfor styres elektronernes adfærd i et fladt bånd for det meste af interaktionerne med andre elektroner. Forskere indså dog, at fladhed ikke er det eneste krav, for når elektroner er for tæt bundet til atomerne, selv i et fladt bånd, er de ikke i stand til at bevæge sig rundt og skabe interessante stoftilstande. "Man vil have elektroner til at se hinanden, noget man kan opnå ved at sikre sig, at de er udvidet i rummet. Det er præcis, hvad topologiske bånd bringer til bordet," siger Nicolas Regnault.

Topologi spiller en afgørende rolle i moderne kondenseret stoffysik, som foreslået af de tre nobelpriser i 1985, 1997 og 2016. Den tvinger nogle kvantebølgefunktioner til at blive udvidet, hvilket gør dem ufølsomme over for lokal forstyrrelse såsom urenheder. Det kan pålægge nogle fysiske egenskaber, såsom en modstand, at blive kvantificeret eller føre til perfekt ledende overfladetilstande.

Heldigvis har holdet været på forkant med at karakterisere topologiske egenskaber af bånd gennem deres tilgang kendt som "topologisk kvantekemi", og derved givet dem en stor database af materialer, såvel som de teoretiske værktøjer til at lede efter topologiske flade bånd.

Ved at bruge værktøjer lige fra analytiske metoder til brute-force-søgninger fandt holdet alle de fladbåndsmaterialer, der i øjeblikket er kendt i naturen. Dette katalog over fladbåndsmaterialer er tilgængeligt online med sin egen søgemaskine. "Samfundet kan nu lede efter flade topologiske bånd i materialer. Vi har fundet, ud af 55.000 materialer, omkring 700, der udstiller, hvad der potentielt kunne være interessante flade bånd," siger Yuanfeng Xu, fra Princeton University og Max Planck Institute of Microstructure Physics, en af ​​de to hovedforfattere af undersøgelsen. "Vi sørgede for, at de materialer, vi promoverer, er lovende kandidater til kemisk syntese," understreger Leslie Schoop fra Princetons kemiafdeling. Holdet har yderligere klassificeret de topologiske egenskaber af disse bånd og afsløret, hvilken type delokaliserede elektroner de er vært for.

Nu hvor dette store katalog er færdigt, vil holdet begynde at dyrke de forudsagte materialer for eksperimentelt at opdage det potentielle utal af nye interagerende tilstande. "Nu hvor vi ved, hvor vi skal lede, er vi nødt til at dyrke disse materialer," siger Claudia Felser fra Max Planck Institute for Chemical Physics of Solids. "Vi har et drømmeteam af eksperimentalister, der arbejder sammen med os. De er ivrige efter at måle disse kandidaters fysiske egenskaber og se, hvilke spændende kvantefænomener der vil dukke op."

Kataloget over flade bånd, udgivet i Nature den 30. marts 2022, repræsenterer afslutningen på flere års forskning fra holdet. "Mange mennesker og mange bevillingsinstitutioner og universiteter, som vi præsenterede projektet for, sagde, at dette var for svært og aldrig kunne lade sig gøre. Det tog os nogle år, men vi gjorde det," sagde Andrei Bernevig.

Udgivelsen af ​​dette katalog vil ikke kun reducere serendipiteten i søgningen efter nye materialer, men den vil give mulighed for store søgninger efter forbindelser med eksotiske egenskaber, såsom magnetisme og superledning, med applikationer i hukommelsesenheder eller i langdistancedissipationsfri transport af strøm. + Udforsk yderligere

Gode nyheder for fremtidens teknologi:Eksotiske 'topologiske' materialer er overraskende almindelige