Topologiska material kan klassificeras i topologiska isolatorer (TI), topologiska kristallina isolatorer, topologiska Dirac-halvmetaller, topologiska Weyl-halvmetaller, topologiska nodal-line halvmetaller, och andra. Sådana material väcker uppmärksamhet inom den kondenserade materiens fysik och materialvetenskap på grund av deras spännande fysikaliska egenskaper och lovande tekniska tillämpningar. För ett givet sammansatt system, identifiering av dess topologiska natur är i allmänhet komplex, kräver specifik bestämning av lämplig topologisk invariant genom detaljerad elektronisk struktur och Berry -krökningsberäkningar.

Den topologiskt icke -privata naturen är knuten till utseendet av inverterade band i den elektroniska strukturen. För de flesta topologiska material, bandinversioner har visats induceras av känsliga synergistiska effekter av olika fysiska faktorer, inklusive kemisk bindning, kristallfält och, framför allt, spin-orbit coupling (SOC). Särskilt, för de mest studerade topologiska systemen för tredimensionella (3D) TI:er, SOC har identifierats för att spela en viktig roll för att inducera bandinversion. Nyligen, flera så kallade high-throughput-metoder utvecklades framgångsrikt för att förutsäga TI. Till exempel, genom att använda en viss deskriptor, tiotals nya kandidat -TI har föreslagits av en forskargrupp vid Duke University. Men på implementeringsnivå, alla dessa tillvägagångssätt bygger på detaljerade bandstrukturberäkningar baserade på första principer.

I detta omslagspapper ett enkelt och effektivt kriterium som möjliggör enkel screening av potentiella topologiska isolatorer föreslogs av prof. Huijun Lius samarbetsgrupp vid Wuhan University, Prof. Xingqiu Chen vid Institute of Metal Research, Kinesiska vetenskapsakademien, och professor Zhenyu Zhang vid University of Science and Technology of China. Kriteriet är till sin natur knutet till bandinversionen som induceras av SOC, och definieras unikt av ett minimalt antal av två elementära fysikaliska egenskaper hos de ingående elementen:atomnumret och Pauling elektronegativitet, snarare än inmatningar från detaljerade beräkningar av elektroniska bandstrukturer inom densitetsfunktionsteori. Tanken med kriteriet är:

1. Energigapet (Δ) vid viss k-punkt med hög symmetri öppnas till stor del av den lokala kemiska bindningen av de ingående elementen och kristallfältsdelning, medan SOC tenderar att dra ner ledningsbandets minimum och trycka upp valensbandets maximala för att inducera förekomsten av bandinversion med en antikorsningsform.
2. Som ett storleksordningskriterium, för att inducera bandinversionen skulle det vara önskvärt om ett TI-kandidatmaterial har en större SOC-styrka λ och en mindre Δ. Det kritiska eller övergångsfallet skulle kräva att λ var jämförbar med Δ.
3. I princip, SOC -styrkan λ är proportionell mot atomnumret, medan bandgapet för en förening är nära relaterat till elektronegativitetsskillnaden mellan de ingående atomerna. När det gäller det genomsnittliga atomnumret (Z) för formelenheten och Pauling -elektronegativitetsskillnaden (Δ {χ}) för de ingående elementen, man kan definiera ett enkelt Δ-förhållande (Δa =0,0184Z/ Δa {χ}), och ett kandidatmaterial är topologiskt utrivet om Δ är större än 1. Giltigheten och förutsägbarheten hos ett sådant kriterium demonstreras genom att rationalisera många kända topologiska isolatorer och potentiella kandidater i tetradymit- och halv-Heusler-familjerna, och den underliggande designprincipen är naturligtvis också utvidgningsbar till prediktiva upptäckter av andra klasser av topologiska material, som erbjuder en kraftfull vägledande princip för att syntetisera topologiska kvantmaterial.