Топологические материалы, перспективные для широкого круга технологических применений благодаря своим экзотическим электронным свойствам, вызвали большой теоретический и экспериментальный интерес за последнее десятилетие, кульминацией которого стала Нобелевская премия по физике 2016 года. Электронные свойства материалов включают способность тока течь без сопротивления и нестандартными способами реагировать на электрические и магнитные поля.Однако до сих пор открытие новых топологических материалов происходило в основном методом проб и ошибок. Новый подход, описанный на этой неделе, позволяет исследователям идентифицировать большую серию потенциальных новых топологических изоляторов.
Исследование представляет собой фундаментальный прорыв в физике топологических материалов и меняет способ понимания топологических свойств.В состав группы входили: из Принстонского университета Барри Брэдлин и Дженнифер Кано, оба младшие научные сотрудники Принстонского центра теоретических наук, Чжицзюнь Ван, научный сотрудник, получивший докторскую степень, и Б. Андрей Бернвиг, профессор физики; профессора Луис Элькоро и Мойс Аройо из Университета Страны Басков в Бильбао; доцент Майя Гарсия Верньори из Университета Страны Басков и Международного физического центра Доностия (DIPC) в Испании; и Клаудиа Фельзер, профессор Института химической физики твердого тела им.
Макса Планка в Германии.«Наш подход позволяет значительно упростить поиск топологических материалов, избегая необходимости в подробных расчетах», — сказал Фелсер. «Для некоторых специальных решеток мы можем сказать, что независимо от того, является ли материал изолятором или металлом, будет происходить что-то топологическое», — добавил Брэдлин.По словам исследователей, до сих пор из примерно 200000 материалов, занесенных в каталоги баз данных материалов, только около нескольких сотен известно о топологическом поведении. «Это поставило перед командой вопрос: действительно ли топологические материалы настолько редки, или это просто отражает неполное понимание твердых тел?» — сказал Кано.
Чтобы выяснить это, исследователи обратились к зонной теории твердого тела, которой уже почти столетие, и которая считается одним из первых эпохальных достижений квантовой механики. Эта теория, впервые разработанная швейцарским физиком Феликсом Блохом и другими, описывает электроны в кристаллах как находящиеся на определенных энергетических уровнях, известных как зоны.
Если все состояния в группе зон заполнены электронами, то электроны не могут двигаться и материал является изолятором. Если некоторые из состояний не заняты, то электроны могут перемещаться от атома к атому, и материал способен проводить электрический ток.Однако из-за свойств симметрии кристаллов квантовые состояния электронов в твердых телах обладают особыми свойствами. Эти состояния можно описать как набор взаимосвязанных полос, характеризующихся своим импульсом, энергией и формой.
Связи между этими полосами, которые на графике напоминают спутанные нити спагетти, вызывают топологическое поведение, такое как поведение электронов, которые могут перемещаться по поверхностям или краям без сопротивления.Команда использовала систематический поиск, чтобы идентифицировать многие ранее не обнаруженные семейства кандидатных топологических материалов.
Подход объединил инструменты из таких разрозненных областей, как химия, математика, физика и материаловедение.Во-первых, команда охарактеризовала все возможные электронные зонные структуры, возникающие из электронных орбиталей во всех возможных положениях атомов для всех возможных кристаллических структур или групп симметрии, которые существуют в природе, за исключением магнитных кристаллов. Для поиска топологических полос команда сначала нашла способ перечислить все разрешенные нетопологические полосы, при том понимании, что все, что не входит в список, должно быть топологическим.
Используя инструменты теории групп, команда организовала в классы все возможные нетопологические ленточные структуры, которые могут возникнуть в природе.Затем, используя раздел математики, известный как теория графов — тот же подход, который используют поисковые системы для определения связей между веб-сайтами — команда определила допустимые шаблоны подключения для всех структур полос. Полосы можно разделить или соединить вместе. Математический аппарат определяет все возможные зонные структуры в природе — как топологические, так и нетопологические.
Но уже перечислив нетопологические, команда смогла показать, какие ленточные структуры являются топологическими.Изучая свойства симметрии и связности различных кристаллов, команда определила несколько кристаллических структур, которые в силу их связности полос должны содержать топологические полосы. Команда сделала все данные о нетопологических диапазонах и связях между ними общедоступными через кристаллографический сервер Бильбао. «Используя эти инструменты вместе с нашими результатами, исследователи со всего мира могут быстро определить, может ли представляющий интерес материал потенциально быть топологическим», — сказал Элькоро.
Исследование показывает, что симметрия, топология, химия и физика играют фундаментальную роль в нашем понимании материалов, сказал Бернвиг. «Новая теория включает два ранее отсутствовавших компонента, зонную топологию и орбитальную гибридизацию, в теорию Блоха и обеспечивает предписывающий путь для открытия и характеристики металлов и изоляторов с топологическими свойствами».Дэвид Вандербильт, профессор физики и астрономии из Университета Рутгерса, не принимавший участия в исследовании, назвал эту работу замечательной. «Большинство из нас думали, что пройдет много лет, прежде чем топологические возможности смогут быть исчерпывающе каталогизированы в этом огромном пространстве кристаллических классов», — сказал Вандербильт. «Вот почему работа Брэдлина и его сотрудников стала таким сюрпризом.
Они разработали замечательный набор принципов и алгоритмов, которые позволяют им составить этот каталог одним махом. Более того, они объединили свой теоретический подход с материалами методы поиска в базе данных для конкретных предсказаний множества новых топологических изоляционных материалов ».
Теоретические основы этих материалов, названные «топологическими», поскольку они описываются свойствами, которые остаются неизменными при растяжении, скручивании или деформации объекта, привели к присуждению Нобелевской премии по физике в 2016 году Ф. Дункану М. Холдейну, Профессор физики Университета Шермана Фэирчайлда из Принстонского университета, Дж. Майкл Костерлиц из Университета Брауна и Дэвид Дж.
Таулесс из Вашингтонского университета.Химия и физика используют разные подходы к описанию кристаллических материалов, в которых атомы встречаются в регулярно упорядоченных структурах или симметриях. Химики склонны сосредотачиваться на атомах и окружающих их облаках электронов, известных как орбитали.
Физики склонны сосредотачиваться на самих электронах, которые могут переносить электрический ток, когда прыгают от атома к атому, и описываются их импульсом.«Этот простой факт — физика электронов обычно описывается в терминах количества движения, в то время как химия электронов обычно описывается в терминах электронных орбиталей — оставила открытие материалов в этой области на волю случая», — сказал Ван. .«Изначально мы стремились лучше понять химию топологических материалов — понять, почему некоторые материалы должны быть топологическими», — сказал Верньори.Аройо добавил: «Однако то, что получилось, было гораздо интереснее: способ объединить химию, физику и математику, который добавляет последний недостающий ингредиент в вековую теорию электроники и в современные поиски топологических материалов. "