Att hitta rätt ingredienser för att skapa material med exotiska kvantegenskaper har varit en chimär för experimentella vetenskapsmän, på grund av de oändliga möjliga kombinationerna av olika element som ska syntetiseras.

Från och med nu skulle skapandet av sådana material kunna fortsätta på ett mindre ögonbindel tack vare ett internationellt samarbete ledd av Andrei Bernevig, Ikerbaskisk gästprofessor vid Donostia International Physics Center (DIPC) och professor vid Princeton University, och Nicolas Regnault, från Princeton University och Ecole Normale Supérieure Paris, CNRS, inklusive deltagande av Luis Elcoro från University of the Baskien (UPV/EHU).

Teamet genomförde en systematisk sökning efter potentiella kandidater i en massiv höstack med 55 000 material. Elimineringsprocessen började med identifieringen av de så kallade flatbandsmaterialen, det vill säga elektroniska tillstånd med konstant kinetisk energi. Därför styrs elektronernas beteende i ett platt band mestadels av interaktionerna med andra elektroner. Forskare insåg dock att planhet inte är det enda kravet, för när elektroner är för hårt bundna till atomerna, även i ett platt band, kan de inte röra sig och skapa intressanta materiatillstånd. "Du vill att elektroner ska se varandra, något du kan uppnå genom att se till att de är utsträckta i rymden. Det är precis vad topologiska band ger till bordet", säger Nicolas Regnault.

Topologi spelar en avgörande roll i modern kondenserad materiens fysik, vilket föreslogs av de tre Nobelpriserna 1985, 1997 och 2016. Den tvingar fram vissa kvantvågsfunktioner som ska utökas, vilket gör dem okänsliga för lokal störning som föroreningar. Det kan ålägga vissa fysikaliska egenskaper, såsom ett motstånd, att kvantiseras eller leda till perfekt ledande yttillstånd.

Lyckligtvis har teamet legat i framkant när det gäller att karakterisera topologiska egenskaper hos band genom deras tillvägagångssätt som kallas "topologisk kvantkemi", vilket ger dem en stor databas med material, såväl som de teoretiska verktygen för att leta efter topologiska platta band.

Genom att använda verktyg som sträcker sig från analytiska metoder till brute-force-sökningar, hittade teamet allt plattbandsmaterial som för närvarande är känt i naturen. Denna katalog med plattbandsmaterial är tillgänglig online med sin egen sökmotor. "Samhället kan nu leta efter platta topologiska band i material. Vi har hittat, av 55 000 material, omkring 700 som visar vad som potentiellt kan vara intressanta platta band", säger Yuanfeng Xu, från Princeton University och Max Planck Institute of Microstructure Physics, en av de två huvudförfattarna till studien. "Vi såg till att materialen vi marknadsför är lovande kandidater för kemisk syntes", betonar Leslie Schoop från Princetons kemiavdelning. Teamet har ytterligare klassificerat de topologiska egenskaperna hos dessa band och avslöjat vilken typ av delokaliserade elektroner de är värd för.

Nu när den här stora katalogen är klar kommer teamet att börja växa det förutspådda materialet för att experimentellt upptäcka den potentiella myriaden av nya interagerande tillstånd. "Nu när vi vet var vi ska leta måste vi odla dessa material", säger Claudia Felser från Max Planck Institute for Chemical Physics of Solids. "Vi har ett drömteam av experimentalister som arbetar med oss. De är ivriga att mäta de fysikaliska egenskaperna hos dessa kandidater och se vilka spännande kvantfenomen som kommer att dyka upp."

Katalogen över platta band, publicerad i Nature den 30 mars 2022, representerar slutet på år av forskning av teamet. "Många människor och många bidragsinstitutioner och universitet som vi presenterade projektet för sa att detta var för svårt och aldrig kunde göras. Det tog oss några år, men vi gjorde det", säger Andrei Bernevig.

Publiceringen av denna katalog kommer inte bara att minska serendipiteten i sökandet efter nya material, utan det kommer att möjliggöra stora sökningar av föreningar med exotiska egenskaper, såsom magnetism och supraledning, med applikationer i minnesenheter eller i långväga förlustfri transport av kraft. + Utforska vidare

Goda nyheter för framtida teknik:Exotiska "topologiska" material är förvånansvärt vanliga