打开新材料世界的大门:拓扑电子目录

发布时间:2020-04-03 10:23 浏览量:164次

  拓扑是纯数学的重要组成部分。在物理学中有许多应用,如晶体拓扑缺陷、QR系统的拓扑变化、量子霍尔效应的拓扑解释等。2016年,诺贝尔物理学奖被授予三位在这些领域进行原创创新的理论家。在2005年左右的一系列理论工作中,凝聚力物理学家们进一步意识到对称和拓扑的概念可以带来新的物理学。具体来说,理论上证明了二维或三维绝缘体(或半导体)如果有时间报告不变(即没有磁性或外部磁场)。然后有一个新的拓扑不变量。新的量子数反映了系统中所有电子波函数的总体性质。当量子数为00:00时,绝缘体(半导体)具有非常常见的拓扑性质。它被称为拓扑绝缘体。拓扑绝缘体很快就发现,时间的回弹不会改变性能,导致新的拓扑。这只是一个普遍现象的冰山一角。对于几乎任何常见的对称性,如晶体中的平面反射和旋转。可能有相应的新拓扑。在过去的十年里,寻找自然界中的新拓扑和不变量是一个热点问题。

  认识到电子波函数可能具有特殊的拓扑结构是物理理论的一大进展,但它与我们的实际生活有多大关系?人们普遍认为,拓扑材料的边界形具有背散射通道关闭等特点,可用于生产超低能耗的电子元件。自旋式电子设备的特点是利用拓扑材料边界电子的功率-自旋式锁定.其他人则认为使用拓扑超导体边界Majora零模型来设计量子比特等。因此,研究拓扑材料或非零拓扑材料。它对基本科学和应用技术具有重要意义。

  研究拓扑材料的第一步是从浩瀚的化合物中找出它们。什么样的化学风格具有什么样的晶体结构材料将具有非零拓扑不变量?这个问题一直困扰着这个领域的科学家。原则上,拓扑不变量的信息已经包含在所有磁带的电子波函数中,后者可以通过第一性原则来计算。然而,在实践中,由于一些拓扑不变量的表达是非常困难的,这种计算需要深层次的物理和拓扑物理背景专家,以及很多时间。事实上,每种新型拓扑材料的成功预测都引起了该领域的广泛关注。大多数科学家直觉地认为,在困难的拓扑过程中,拓扑是罕见的。需要形成原子外部电子轨道晶体结构自旋轨道耦合等因素的巧妙平衡..

  2017年,拓扑量子化学和对称指标理论提出了除土壤炼钢外寻找拓扑材料的可能性。这两项工作表明,大多数可以使用系统的信息都包含在高对称动量点的价格和电子波函数的对称性中。后者,我们称之为对称数据,人们知道它可以通过全自动计算获得。2017年底,中国科学院物理研究所的研究小组在上述工作的基础上,从对称数据到所有拓扑不变量的完整对应。简单地说,拓扑材料根据不同的拓扑不变量进一步分类,只有这些更详细的分类才能表达所有材料的拓扑性质。根据物理研究所研究小组的新理论,不仅可以判断材料是否具有拓扑性质,而且还可以指出拓扑性质(不存在)。研究小组称这一结果为拓扑词典,其中对称数据是拓扑不变量的取值。根据字典,人们只需计算任何材料的对称数据就可以找出其拓扑量。

  图1:一些著名的拓扑材料。量子异常霍尔效应也称为陈绝缘体。它的特点是霍尔电导的值是E2/h的整数倍,边界上有一个或多个单向行走边界。它们被称为手部边界。在磁原子掺杂的三硒化二铋中发现了量子异常霍尔效应,引起了国际学术界的广泛关注。该系列还获得了2018年国家自然科学一等奖。外尔半金属(B)。它的特点是,材料体内的米粉由一系列外部点(红点和蓝点)组成。每个外部点都是Bergi曲率的一个奇怪点。它能带来量子异常表面费米弧等物理效果。在过去的125年里,美国物理学研究所(AmericanCommunication)发表的49项重要成果之一被美国物理学协会(American

  在“词典”出版后的拓扑材料研究领域,可以说山雨想充满风,下一步要做的事情是显而易见的:基于新的理论。设计一套自动识别拓扑材料并计算拓扑不变量的算法,并以全自动方式寻找新的拓扑材料。2018年初,方晨的研究员和翁洪明的研究员方仲和博士生张天田蒋毅宋志达组成了一个研究小组。设计了自动计算材料拓扑性质的全过程.在这个过程中,我们通过一系列的逻辑来给每一种材料一个拓扑标签。这个标签是以下八个中的一个。高对称点半金属,高对称线半金属,一般动量点半金属,拓扑绝缘体,拓扑晶体绝缘体,磁性材料和普通金属。前五个标签表示,该材料是拓扑材料,后三种是非拓扑材料(或不能识别其拓扑性质)。他们在这里没有详细说明每种拓扑材料。研究小组扫描了大约40000种无机晶体材料。据发现,大约有8000种拓扑材料,这与以前被认为是特殊和罕见的直觉有很大的不同。这8000多种材料不仅包括几乎所有以前的拓扑材料,而且还包括大量的新拓扑材料。这些材料的拓扑性质以前从未研究过。

  图2:文献中使用的自动计算任何晶体材料的自动化过程。边缘绿色模块表示逻辑判断,并且平行的四边形橙色模块代表输出结果。根据这个过程,我们将获得任何材料的确定标签,以确定材料是否为拓扑材料。什么样的拓扑材料。在这里,任何材料文献都考虑有自旋轨道耦合和无自旋轨道耦合,这与文献不同。

  如何将这些结果提交科学界?对于每种拓扑材料,我们不仅需要提供关键信息,如化学原子结构对称指数拓扑分类。还应提供计算电子态密度和结构的参考资料。物理学院研究小组与中国科学院计算机网络信息中心副研究员何玉清合作。所有这些信息都被制成一个数据库,可以在互动界面上搜索。这是世界上第一个具有完全拓扑性质的材料数据库,作者将其命名为拓扑电子目录。在这个目录中,任何人都能找出他/她感兴趣的材料是否具有拓扑性和拓扑性。

  物理学院和计算机网络信息中心的研究小组共同撰写了拓扑电子目录。详细介绍了计算材料的拓扑算法和算法获得的拓扑材料数据库。这篇文章于2018年7月23日在预印平台arxiv数据库同一天发布。一周后,“自然”发表了一篇新闻文章,报告了上述工作和数据库,并采访了数据库的第一批用户。来自德国Mapp的固态化学物理学研究所的凝聚力物理学家ChandraShekhar说:单击输入材料的组件名称。你可以知道这种材料是否具有拓扑性。我觉得很棒。“拓扑电子材料目录”今天在国际学术期刊“自然”网站上发表了评论和评论。

  英雄的观点和另外两个研究小组也在同一天发表了他们的独立研究结果。其中一个团队是普林斯顿大学,西班牙巴斯克大学和马克斯·普朗克研究所的科学家。另一组是南京大学和哈佛大学的科学家。这两组的工作也是通过计算具有高对称点的对称数据来获得材料的拓扑性质和物理学研究小组所采用的方法来实现的。这三个研究小组的结果也是相互确认的。

  图3:中国科学院物理研究所与中国科学院计算机网络中心合作建立的在线数据库,在元素周期表中选择材料进入左侧(可选)筛选条件。然后按下搜索键,得到所有含有这些元素的拓扑材料的清单。该网站的URL是。

  拓扑电子目录的出版表明,拓扑材料开始从寻找新材料转向研究新材料。这8000多种拓扑材料似乎为物理学家和材料科学家打开了无数扇门。从每扇门看,许多熟悉的材料都有一个新的研究角度。许多以前被忽视的材料也有一个新的闪光点。

  中国科学院院士于渌认为,这一系列工作使拓扑材料的预言从手工探索到穷人名单(Exhaustiveenumeraminum)。跨越式进步将产生长远的影响.

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