Nature：如何把數千種奇異的拓撲材料一網打盡

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導語

研究人員首次系統搜索了整個材料資料庫，發現數千種已知材料——自然界中大約24%的材料可能都具有拓撲結構。

編譯：集智俱樂部翻譯組

來源：Nature

原題：Thousands of exotic 『topological』 materials discovered through sweeping search

現已經令人激動的拓撲物理學領域可能即將迎來它的爆發。

研究人員首次系統搜索了整個材料資料庫，以尋找具有拓撲狀態的材料——這些物質的奇異相變（exotic phases）已經吸引了物理學家們探索了十多年。

最新的研究結果表明，數千種已知材料都可能具有拓撲性質——即自然界中大約24%的材料可能都具有拓撲結構。而在這之前，研究人員知道的拓撲材料只有幾百種，而被詳細研究過的只有十幾種。

「這個數字讓人震驚！」西班牙NanoGUNE合作研究中心的實驗物理學家Reyes Calvo表示。

2018年7月下旬，幾個研究組分別在http://arxiv.org上公布了他們的最新研究成果（1，2，3）。研究者開發了根據材料的化學性質和對稱性來計算其拓撲屬性的演算法，基於這種演算法，他們研究了上萬種材料並根據拓撲屬性將其分類。

兩個團隊已經將他們的演算法集成到了可檢索的資料庫中。來自德國馬普所的固態化學物理所的凝聚態物理學家 Chandra Shekhar 說：你只需輸入材料的組分名稱，點擊一下，就可以知道這種材料是否存在拓撲結構。

對拓撲材料的歸類工作讓科學家更容易找到這些奇異相變（exotic phases）——這對於電子學和化學催化領域可能是革命性的。瑞士洛桑聯邦理工學院的物理學家 Oleg Yazyev 說：「我們知道的具有特殊性質的材料越多，就越有可能實現突破」。

有組織的混亂（Organized chaos）

拓撲材料的異常特性源於其拓撲結構。

在數學中，拓撲學研究對象的性質不會因為光滑形變而改變。在材料學研究中，拓撲學不適用於固體物質的形狀，而適用於材料電子量子態所抽象描述的幾何形狀。

物質的某種狀態具有拓撲屬性，意味著它對變化具有抵抗力。拓撲材料在溫度波動和物理形變時非常穩定，可以用來製作有用的元器件。

拓撲材料的電子特性也很不尋常。

物理學家們一直在研究一類被稱為拓撲絕緣體（topological insulators）的物質。2008年，研究者首次在碲化鉍晶體（一種半導體材料）中發現了拓撲絕緣體（4）。拓撲絕緣體很奇特，因為它們主要由絕緣材料組成，但表面又是很好的導體。

而且由於拓撲絕緣體表面的電流可以用磁場控制，因此物理學家認為它們可以被應用於「自旋電子」（spintronic）元件。自旋電子元件很節能，它會將信息編碼為自旋粒子的內秉磁性（intrinsic magnetism）。

但是，儘管經歷了十年研究，物理學家還是沒有找到一種適合在元件中使用的拓撲絕緣體，比如一種容易生產、無毒而且在室溫下可以調節其電子狀態的材料。

這個新發布的檢索資料庫，使用了去年公布的方法，將所有的非磁性材料與已知晶體材料進行了分類。到目前為止，物理學家主要依賴複雜的理論計算來預測某種材料是否會具有拓撲狀態。

但在2017年，由普林斯頓大學物理學家 Andrei Vishwanath 和哈佛大學的 Ashvin Vishwanath 各自領導的研究組，分別開創了新的方法（5,6），大大加快了搜索過程。

他們的演算法根據材料的化學性質和結構對稱性，可以自動地將資料庫中的材料分類。材料對稱性可以是鏡像對稱、旋轉對稱和平移對稱，而對稱方向決定了電子在該晶體結構的晶格中，移動的位置和方式。對稱性可以用來預測電子行為，進而預測材料是否可能具有拓撲狀態。

開放探索

運用Bernevig的方法，中科院北京凝聚態物理國家實驗室的研究團隊掃描了39519種材料，發現其中超過8000種可能具有拓撲狀態。

他們包括拓撲絕緣體（ topological insulators）和拓撲半金屬（topological semi-metals）兩種。它們集體運動的電子在某些條件下會表現得跟沒有質量的粒子一樣。拓撲半金屬材料有助於研究新的量子現象，並且正在被嘗試用作催化劑。

該團隊的資料庫是開放的，任何人都可以訪問並且調整搜索範圍，比如材料的組成元素和晶體最小重複單元（晶胞）的大小。

Bernevig團隊也用這套方法創建了一個拓撲材料目錄。該團隊使用無機晶體結構資料庫，發現了5797種「優質」的拓撲材料。研究人員計劃為廣受歡迎的畢爾巴鄂晶體伺服器（Bilbao Crystallographic Server）增強檢測材料拓撲結構和某些相關特徵的能力。

Vishwanath 所在的研究組，也發現了數百種拓撲材料，其中許多都很有前景。致力於堆疊具有拓撲特性的材料層，以製造下一代電子元件的 Calvo 說：「作為一個實驗科學家，我覺得這項工作激動人心」。

Yazyev 坦言，這些研究仍然是受限的：不適用於磁性材料或是電子相互作用強烈的材料。這些材料也可能具有拓撲性質，所以Vishwanath和他同事們正在探索新方法，利用對稱性來識別拓撲磁性材料（7）。

實驗科學家現在有新任務了。Yazyev認為，研究人員僅靠梳理資料庫，就能尋找新的拓撲材料來探究。但為材料所做的分類仍然只是預測，除非他們在實驗中檢測和測量這些材料。「我們現在有了一個很大的候選材料資料庫，但新的物理現象要靠實驗物理學家去發現」。

並非每個新拓撲材料都是有趣的。

耶魯大學的實驗物理學家 Judy Cha 認為，只有當理論物理學家可以將關於材料的其他實用信息導入資料庫，新拓撲材料的發現才會有用。比如把該物質的晶體缺陷會如何影響電子流動的信息，導入資料庫。這有助於把名單縮小到最實用的範圍。她說：「那真是太棒了！」

參考文獻：

1.Zhang, T. et al.https://arxiv.org/abs/1807.08756

2.Vergniory, M. G., Elcoro, L., Felser, C., Bernevig, B. A. & Wang, Z. https://arxiv.org/abs/1807.10271

3.Tang, F., Po, H. C., Vishwanath, A. & Wan, X. https://arxiv.org/abs/1807.09744

4.Hsieh, D. et al. Nature 452, 970–974 (2008).https://arxiv.org/abs/0902.1356v1

5.Bradlyn, B. et al. Nature 547, 298–305 (2017).https://arxiv.org/abs/1703.02050v2

6.Po, H. C., Vishwanath, A. & Watanabe, H. Nature Commun. 8, 50 (2017).http://arxiv.org/abs/1703.00911

7.Watanabe, H., Po, H. C. & Vishwanath, A. Sci. Adv. 4, eaat8685 (2018).https://arxiv.org/abs/1707.01903v2

翻譯：集智小仙女

審校：千風者

原文地址：

https://www.nature.com/articles/d41586-018-05913-4?utm_source=twt_nnc&utm_medium=social&utm_campaign=naturenews&sf195143529=1#ref-CR1

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