Kredit:Pixabay/CC0 Public Domain
Vad krävs för att göra vår elektronik smartare, snabbare och mer motståndskraftig? En idé är att bygga dem av material som är topologiska.
Topologi härrör från en gren av matematiken som studerar former som kan manipuleras eller deformeras utan att förlora vissa kärnegenskaper. En munk är ett vanligt exempel:om den var gjord av gummi, skulle en munk kunna vridas och pressas till en helt ny form, till exempel en kaffemugg, samtidigt som den behåller en viktig egenskap - nämligen dess mitthål, som har formen av koppens handtag. Hålet, i detta fall, är en topologisk egenskap, robust mot vissa deformationer.
Under de senaste åren har forskare tillämpat begreppen topologi för att upptäcka material med liknande robusta elektroniska egenskaper. År 2007 förutspådde forskare de första elektroniska topologiska isolatorerna – material där elektroner beter sig på ett sätt som är "topologiskt skyddade" eller ihållande inför vissa störningar.
Sedan dess har forskare sökt efter mer topologiska material i syfte att bygga bättre, mer robusta elektroniska enheter. Tills nyligen har endast en handfull sådana material identifierats och antogs därför vara en sällsynthet.
Nu har forskare vid MIT och på andra håll upptäckt att topologiska material faktiskt finns överallt, om man vet hur man letar efter dem.
I en artikel publicerad i Science , teamet, ledd av Nicolas Regnault från Princeton University och École Normale Supérieure Paris, rapporterar att de utnyttjar kraften hos flera superdatorer för att kartlägga den elektroniska strukturen hos mer än 96 000 naturliga och syntetiska kristallina material. De använde sofistikerade filter för att avgöra om och vilken typ av topologiska egenskaper som finns i varje struktur.
Sammantaget fann de att 90 procent av alla kända kristallina strukturer innehåller minst en topologisk egenskap, och mer än 50 procent av alla naturligt förekommande material uppvisar någon form av topologiskt beteende.
"Vi fann att det finns en allestädes närvarande - topologi finns överallt", säger Benjamin Wieder, studiens medledare och postdoc vid MIT:s fysikavdelning.
Teamet har sammanställt de nyligen identifierade materialen till en ny, fritt tillgänglig topologiska materialdatabas som liknar en periodisk tabell över topologi. Med det här nya biblioteket kan forskare snabbt söka efter material av intresse för topologiska egenskaper de kan ha, och utnyttja dem för att bygga transistorer med ultralåg effekt, nya magnetiska minneslagringar och andra enheter med robusta elektroniska egenskaper.
Uppsatsen inkluderar medförfattaren Maia Vergniory från Vergniory av Donostia International Physics Center, Luis Elcoro från University of Baskien, Stuart Parkin och Claudia Felser från Max Planck Institute och Andrei Bernevig från Princeton University.
Bortom intuition
Den nya studien motiverades av en önskan att påskynda det traditionella sökandet efter topologiska material.
"Sättet som de ursprungliga materialen hittades var genom kemisk intuition," säger Wieder. "Det tillvägagångssättet hade många tidiga framgångar. Men eftersom vi teoretiskt förutspådde fler typer av topologiska faser, verkade det som om intuitionen inte tog oss särskilt långt."
Wieder och hans kollegor använde istället en effektiv och systematisk metod för att utrota tecken på topologi, eller robust elektroniskt beteende, i alla kända kristallina strukturer, även kända som oorganiska material i fast tillstånd.
För sin studie tittade forskarna på Inorganic Crystal Structure Database, eller ICSD, ett förvar där forskare går in i de atomära och kemiska strukturerna av kristallina material som de har studerat. Databasen innehåller material som finns i naturen, såväl som sådana som har syntetiserats och manipulerats i labbet. ICSD är för närvarande den största materialdatabasen i världen, som innehåller över 193 000 kristaller vars strukturer har kartlagts och karakteriserats.
Teamet laddade ner hela ICSD, och efter att ha utfört en del datarensning för att sålla bort strukturer med korrupta filer eller ofullständig data, lämnades forskarna med drygt 96 000 bearbetbara strukturer. För var och en av dessa strukturer utförde de en uppsättning beräkningar baserade på grundläggande kunskap om sambandet mellan kemiska beståndsdelar, för att producera en karta över materialets elektroniska struktur, även känd som elektronbandsstrukturen.
Teamet kunde effektivt utföra de komplicerade beräkningarna för varje struktur med hjälp av flera superdatorer, som de sedan använde för att utföra en andra uppsättning operationer, denna gång för att screena för olika kända topologiska faser, eller ihållande elektriskt beteende i varje kristallmaterial.
"Vi letar efter signaturer i den elektroniska strukturen där vissa robusta fenomen bör förekomma i detta material", förklarar Wieder, vars tidigare arbete handlade om att förfina och utöka screeningstekniken, känd som topologisk kvantkemi.
Från sin högkapacitetsanalys upptäckte teamet snabbt ett förvånansvärt stort antal material som är naturligt topologiska, utan någon experimentell manipulation, såväl som material som kan manipuleras, till exempel med lätt eller kemisk dopning, för att uppvisa någon form av robust elektroniskt beteende. De upptäckte också en handfull material som innehöll mer än ett topologiskt tillstånd när de exponerades för vissa förhållanden.
"Topologiska faser av materia i 3D-material i fast tillstånd har föreslagits som platser för att observera och manipulera exotiska effekter, inklusive omvandling av elektrisk ström och elektronspin, bordssimulering av exotiska teorier från högenergifysik, och till och med under rätt förhållanden, lagring och manipulering av kvantinformation," säger Wieder.
För experimentalister som studerar sådana effekter, säger Wieder att lagets nya databas nu avslöjar en mängd nya material att utforska. + Utforska vidare
