I ett stort steg framåt för ett forskningsområde som fick Nobelpriset i fysik 2016, ett internationellt team har funnit att ämnen med exotiska elektroniska beteenden som kallas topologiska material faktiskt är ganska vanliga, och inkluderar vardagliga element som arsenik och guld. Teamet skapade en onlinekatalog för att göra det enkelt att designa nya topologiska material med hjälp av element från det periodiska systemet.
Dessa material har oväntade och märkliga egenskaper som har förändrat forskarnas förståelse för hur elektroner beter sig. Forskare hoppas att dessa ämnen kan utgöra grunden för framtidens teknologier, till exempel lågeffektsenheter och kvantberäkning.
"När analysen var gjord och alla fel rättade, resultatet var häpnadsväckande:mer än en fjärdedel av alla material uppvisar någon form av topologi, "sa B. Andrei Bernevig, en senior författare på tidningen och professor i fysik vid Princeton. "Topologi är allestädes närvarande i material, inte esoteriskt. "
Topologiska material är spännande eftersom deras ytor kan leda elektricitet utan motstånd, så de är potentiellt snabbare och mer energieffektiva än dagens teknik. Deras namn kommer från en underliggande teori som bygger på topologi, en gren av matematiken som beskriver objekt med sin förmåga att töjas eller böjas.
Början av den teoretiska förståelsen av dessa materiens tillstånd låg till grund för 2016 års Nobelpris i fysik, delas av Princeton University professor F. Duncan Haldane, Sherman Fairchild University professor i fysik, Michael Kosterlitz från Brown University, och David J. Thouless, University of Washington, Seattle.
Tills nu, bara några hundra av de mer än 200, 000 kända oorganiska kristallina material har karakteriserats som topologiska, och de ansågs vara anomalier.
"När den är helt klar, denna katalog kommer att inleda en ny era av topologisk materialdesign, "Bernevig sa." Detta är början på en ny typ av periodiska system där föreningar och grundämnen indexeras av sina topologiska egenskaper snarare än av mer traditionella medel. "
Det internationella laget inkluderade forskare från Princeton; Donostia International Physics Center i San Sebastian, Spanien; IKERBASQUE Basque Foundation for Science; universitetet i Baskien; Ecole Normale Superieure Paris och det franska nationella centret för vetenskaplig forskning; och Max Planck Institute for Chemical Physics of Solids.
Teamet undersökte cirka 25, 000 oorganiska material vars atomstrukturer är experimentellt kända med precision, och klassificeras i oorganisk kristallstrukturdatabas. Resultaten visar att snarare än att vara sällsynta, mer än 27 procent av materialen i naturen är topologiska.
Den nyskapade databasen tillåter besökare att välja element från det periodiska systemet för att skapa föreningar som användaren sedan kan utforska för sina topologiska egenskaper. Mer material analyseras för närvarande och placeras i en databas för framtida publicering.
Två faktorer möjliggjorde den komplexa uppgiften att topologiskt klassificera de 25, 000 föreningar.
Först, två år sedan, några av de nuvarande författarna utvecklade en teori, känd som topologisk kvantkemi och publicerad i Natur år 2017, vilket möjliggjorde klassificering av de topologiska egenskaperna hos något material från den enkla kunskapen om dess atoms positioner och natur.
Andra, i den aktuella studien, laget tillämpade denna teori på föreningarna i den oorganiska kristallstrukturdatabasen. Genom att göra så, författarna som behövde utforma, skriva och modifiera ett stort antal datoriserade instruktioner för att beräkna energierna hos elektroner i materialen.
"Vi var tvungna att gå in i dessa gamla program och lägga till nya moduler som skulle beräkna de nödvändiga elektroniska egenskaperna, "sa Zhijun Wang, som var postdoktor vid Princeton och nu är professor vid Beijing National Laboratory for Condensed Matter Physics och Institute of Physics, Kinesiska vetenskapsakademien.
"Vi behövde sedan analysera dessa resultat och beräkna deras topologiska egenskaper baserat på vår nyutvecklade topologiska kvantkemimetodik, "sa Luis Elcoro, professor vid universitetet i Baskien i Bilbao, Spanien.
Författarna skrev flera uppsättningar koder som erhåller och analyserar elektronernas topologi i verkliga material. Författarna har gjort dessa koder tillgängliga för allmänheten via Bilbao Crystallographic Server. Med hjälp av Max Planck Supercomputer Center i Garching, Tyskland, forskarna körde sedan sina koder på 25, 000 föreningar.
"Beräkningsmässigt, det var ganska otroligt intensiva grejer, "sade Nicolas Regnault, professor vid Ecole Normale Superieure, Paris, och en forskningsdirektör vid French National Center for Scientific Research. "Lyckligtvis, teorin visade oss att vi bara behöver beräkna en bråkdel av den data som vi behövde tidigare. Vi behöver titta på vad elektronen 'gör' bara i en del av parameterutrymmet för att få systemets topologi. "
"Vår förståelse för material blev mycket rikare på grund av denna klassificering, "sa Maia Garcia Vergniory, en forskare vid Donostia International Physics Center i San Sebastian, Spanien. "Det är verkligen den sista raden av förståelse för egenskaper hos material."
Claudia Felser, professor vid Max Planck -institutet för kemisk fysik av fasta ämnen i Dresden, Tyskland, hade tidigare förutspått tidigare att även guld är topologiskt. "Många av de materialegenskaper som vi känner till - till exempel guldfärgen - kan förstås genom topologiska resonemang, sa Felser.
Teamet arbetar nu med att klassificera den topologiska karaktären hos ytterligare föreningar i databasen. Nästa steg innebär att identifiera föreningar med bästa mångsidighet, ledningsförmåga och andra egenskaper, och experimentellt verifiera deras topologiska natur. "Man kan sedan drömma om ett fullständigt topologiskt periodiskt bord, Sa Bernevig.
Studien, "En komplett katalog över topologiska material av hög kvalitet." av M. G. Vergniory, L. Elcoro, Claudia Felser, Nicolas Regnault, B. Andrei Bernevig och Zhijun Wang, publicerades online i tidningen Natur den 28 februari 2019.
