Under årtiondena sedan de först teoretiserades, forskare har föreslagit att de exotiska egenskaperna hos topologiska material - det vill säga material som bibehåller sina elektriska egenskaper även vid radikala temperaturskift eller strukturella deformationer-kan resultera i allt från mer energieffektiv elektronik till utveckling av nya superledare och kvantdatorer.

Problemet, dock, är att det är frustrerande svårt att identifiera materialen med dessa egenskaper.

För att påskynda processen, Professorn i fysik Ashvin Vishwanath och hans kollegor genomförde en serie studier för att utveckla metoder för att effektivt identifiera nya material som uppvisar topologiska egenskaper.

De första två, publicerad i Naturkommunikation och Vetenskapliga framsteg , och medförfattare med MIT Fellow Hoi Chun "Adrian" Po, Ph.D. '18, och professor Haruki Watanabe vid Tokyo University, lägga grunden för att överbrygga relevanta abstrakta matematiska begrepp med det pragmatiska problemet med materialupptäckt. Den andra, publicerad i Natur i februari och medförfattare med Po och Feng Tang och Xingang Wan, från Nanjing University, visar kraften i tillvägagångssättet och förutspår tusentals topologiska materialkandidater.

"I de tidiga dagarna, mycket ansträngning var inriktad på att kunna förutsäga om ett material skulle vara isolerande eller metalliskt, "Vishwanath sa." För cirka 10 eller 20 år sedan, fastän, människor insåg att vi kunde producera dessa topologiska material. "

Topologiska material trotsar denna enkla dikotomi. Till exempel, de kan ha en elektriskt isolerande insida, som är insvept i en tunn skinn av metall. Förekomsten av denna metalliska beläggning skyddas av topologi, ett matematiskt koncept som handlar om egenskaper som är robusta mot små fysiska förändringar av systemet. Med andra ord, om du försöker avlägsna metallhuden på en topologisk isolator, skiktet under blir plötsligt metalliskt.

"Insikt i matematiken i dessa exotiska material skulle hjälpa oss att hitta riktiga material med dessa topologiska egenskaper, " sa Po. "Just nu, hur människor gör det här är egentligen mer en gissning ... vad vi ville göra är att hitta på effektiva sätt att diagnostisera om de material du är intresserad av har goda chanser att ha topologiska egenskaper. "

Den insikt som krävs ger en god förståelse för hur elektronernas beteende är sammanflätade med symmetrierna i ett materials kristallstruktur, som kan ses som en nästan oändlig mängd atomer sammansatta i känsliga mönster. Dessa mönster förblir ofta oförändrade om du lutar huvudet 90 grader, eller reflektera dem i en spegel. Inom fysiken kallas denna egenskap symmetri. I de två första tidningarna, Vishwanath och hans medarbetare utförde en systematisk studie av denna spännande sammanflätning mellan elektroner och symmetrier.

"Det första problemet är det stora antalet sätt på vilka atomer kan bilda kristaller, "sa han." Även om du glömmer den kemiska komplexiteten, glöm vilka element som finns där, bara i strukturen ... bara från symmetrihänsyn, det finns 230 sätt på vilka du kan sätta samman atomer till kristaller."

Och komplexiteten slutar inte där. När magnetism införlivas ökar antalet dramatiskt, från 230 till 1, 651.

En lösning på problemet, Watanabe sa, skulle vara att helt enkelt testa alla möjliga kombinationer för att komma fram till en slutlig lösning, men det ger ingen insikt i vad som skapar de topologiska tillstånd forskarna är ute efter.

"Vi tog en annan inställning, "sa han." Nyckeltanken var ... vi hittade ett effektivt sätt att omformulera problemet så att elektronernas symmetriegenskaper kartläggs till koordinater i något högdimensionellt utrymme. "

Dessa koordinater är som adresser, och teamet kunde berätta om ett material var isolerande, metallisk, eller topologisk baserad på dess symmetriindikator - analogen av ett postnummer.

Viktigt, detta "postnummer" kan lätt karaktäriseras. "Medan analysen av varje magnetisk rymdgrupp tidigare skulle ha tagit en doktorand om dagen för att räkna ut, " sade Po, "vår nya formulering möjliggör en enkel automatisering av uppgiften, som är klar på en bärbar dator för alla 1, 651 instanser på en halv dag. "

Den nya Natur studien bygger på de idéer som beskrivits i tidigare arbeten, använda dem för att analysera befintliga materialdatabaser för upptäckt av topologiska materialkandidater. Arbeta med medarbetare i Kina, Vishwanath sa, laget kunde snabbt diagnostisera de topologiska egenskaperna hos tiotusentals material med hjälp av symmetriindikatorer.

"På ett sätt, det är steg två, "sa han om Natur studie. "Det bevisar användbarheten av symmetriindikatorerna."

"Det är inte en komplett gratis lunch, "sa han." Det är inte så att du tittar på kristallen och analyserar i detalj vad elektronerna gör. Snarare, vi tittar bara på en mycket liten aspekt av ett komplicerat system, så det är lite som Sherlock Holmes - från några få ledtrådar kan vi faktiskt dra en hel del om egenskaperna hos ett system. "

Hoppet, Vishwanath sa, är att dessa studier kommer att bana väg för att utveckla ett "bibliotek" av topologiska material som sedan kan karaktäriseras ytterligare och eventuellt användas för en mängd olika tillämpningar.

"Det finns några material som förutses ha topologiska egenskaper, men som vi inte har ett exempel på, "sa han." I andra fall vi kanske bara har ett slags topologiskt tillstånd ... men vi kanske vill ha andra, inte bara det exempel som människor har hittat tidigare. "

Denna berättelse publiceras med tillstånd av Harvard Gazette, Harvarduniversitetets officiella tidning. För ytterligare universitetsnyheter, besök Harvard.edu.