Symmetri är ett utbrett inslag i naturen på alla skalor. Våra blotta ögon kan till exempel enkelt identifiera symmetrier i kroppsformen hos otaliga organismer. Symmetri är också mycket viktigt inom fysik och kemi, särskilt i det mikroskopiska området av atomer och molekyler. Kristaller, som är mycket ordnade material, kan till och med ha flera typer av symmetri samtidigt, såsom rotationssymmetri, inversionssymmetri och translationssymmetri.

På senare tid, vid sidan av snabba framsteg inom datavetenskap, har forskare utvecklat beräkningsmetoder som försöker förutsäga de fysiska egenskaperna hos kristaller baserat på deras elektroniska struktur. I praktiken används dock sällan rena och perfekt symmetriska kristaller. Detta beror på att en kristalls egenskaper kan ställas in efter önskemål genom att legera dem med andra material eller slumpmässigt ersätta vissa atomer med andra grundämnen, d.v.s. dopning.

Därför söker materialforskare beräkningseffektiva metoder för att analysera sådana legeringar och substituerade kristaller, även kända som fasta lösningar. "Supercellmetoden" är ett sådant tillvägagångssätt och används i stor utsträckning för att modellera kristallstrukturer med slumpmässiga substitutioner av olika atomer. Symmetrin hos kristaller är dock faktiskt ett problem när man använder denna teknik. I kristaller kan det finnas många substitutionsmönster som är fysiskt likvärdiga med andra substitutioner om vi helt enkelt översätter eller roterar dem. Upptäckten av dessa symmetriska substitutionsmönster är inte särskilt meningsfulla, och därför är deras beräkning vid användning av supercellmetoden ett slöseri med tid.

I en nyligen genomförd studie hittade ett team av forskare under ledning av assisterande professor Kousuke Nakano från Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST) en lösning på detta problem. De utvecklade en mjukvara med öppen källkod som heter "Suite for High-throughput generation of models with atomic substitutions implemented by Python," eller SHRY som kan, när det gäller symmetri, generera distinkta substitutionsmönster i solida lösningar och legeringar. Detta arbete, som publicerades i Journal of Chemical Information and Modeling , var medförfattare av doktoranden Genki I. Prayogo, Dr Andrea Tirelli, professor Ryo Maezono och docent Kenta Hongo.

Teamet närmade sig problemet ur gruppteorin. Det visar sig att sökning efter atomära substitutionsmönster i kristaller är analogt med problemet med att hitta färgmönster på grafernas hörn under vissa begränsningar. Detta gör att man kan omformulera det ursprungliga problemet med att hitta icke-symmetriska atomsubstitutioner i kristaller som att utforska sökträd som skildrar färgningen av hörn i grafer.

Det sätt på vilket sökträdet utforskas är dock avgörande. Ett enkelt, naivt tillvägagångssätt där alla möjliga grenar genomsöks och jämförs direkt är omöjligt; tiden och beräkningarna som krävs växer okontrollerat för stora system. Detta beror på att det krävs information om alla andra grenar förutom den som utforskas, vilket tekniskt kallas "icke-lokal information."

För att undvika detta problem implementerade forskarna i SHRY en teknik som kallas kanonisk förstärkning. "Denna metod kan avgöra om en trädgren ska utforskas djupare eller inte baserat enbart på lokal information", förklarar Dr. Nakano, "Det viktigaste är att teorem från gruppteorin garanterar att endast distinkta substitutionsmönster kommer att extraheras, utan över- eller underutforska trädstrukturen när det gäller symmetri." Teamet verifierade att deras algoritm var felfri genom att testa den noggrant med data från en databas med kristallstrukturer.

Det är värt att notera att SHRY skrevs i Python 3, ett av de mest populära plattformsoberoende programmeringsspråken, och laddades upp till GitHub, en ledande onlineplattform för projektdelning. "SHRY kan användas som ett fristående program eller importeras till ett annat Python-program som en modul", framhåller Dr. Nakano, "Vår programvara använder också det brett stödda formatet Crystallographic Information File (CIF) för både inmatning och utmatning av uppsättningar av substituerade kristallstrukturer." Teamet planerar att fortsätta att förbättra SHRYs kod baserat på feedback från andra användare, vilket ökar dess hastighet och kapacitet.

Sammantaget kan programvaran som utvecklats i denna studie hjälpa forskare att identifiera potentiella atomära substitutioner i fasta ämnen, vilket är den vanligaste strategin som används för att ställa in materialegenskaperna för praktiska tillämpningar. SHRY kommer att hjälpa till att påskynda forskningen och utveckla ersatta kristaller med oöverträffade funktioner och överlägsna egenskaper. + Utforska vidare

Hyperpoliska skjuvpolaritoner i lågsymmetrikristaller