无处不在 九成材料至少含一种拓扑特性

怎样才能让我们的电子产品更智能、更快、更有弹性?答案是用拓扑材料构建它们。据最近一期《科学》杂志发表的一篇论文,一个国际研究团队利用多台超级计算机,绘制了96000多种天然和合成晶体材料的电子结构图。他们应用复杂过滤器来确定每个结构中是否存在以及存在什么样的拓扑特征,结果发现90%的已知晶体结构都包含至少一种拓扑特性,超过50%的天然材料表现出某种拓扑行为。

由西班牙多诺斯蒂亚国际物理中心和美国普林斯顿大学领导的国际研究团队发现,近90%的材料都拥有远离其固有电子数的拓扑电子态,即费米能级。尽管这些状态在许多实验探针中处于休眠状态,但它们仍然可通过化学掺杂、静电门控、静水压力和光激发光谱等技术直接获得。

研究发现,2%的已知材料是“超拓扑的”,即紧密结合的核心电子之上的每个电子带都是拓扑的。在被忽视的超拓扑材料中,铋是历史上研究最充分的固态材料之一。

团队将新确定的材料编译成一个可免费访问的拓扑材料数据库,类似于“拓扑周期表”。有了这个新数据库,科学家们可快速搜索感兴趣的材料,寻找它们可能拥有的任何拓扑特性,并利用它们来构建超低功耗晶体管、新型磁存储器和其他具有强大电子特性的设备。

研究人员查看了无机晶体结构数据库,该数据库包括在自然界中发现的材料,以及在实验室中合成的材料,其也是目前世界上最大的材料数据库,包含超过193000个晶体,相关结构已被绘制和表征。从高通量分析中,研究团队很快发现了大量自然拓扑材料,无需任何实验操作,它们即可表现出某种强大的电子行为。他们还发现,少数材料在暴露于特定条件时包含一种以上的拓扑状态。

研究人员表示,“以新的视角重新审视以前的实验是惊人的第一步,但我们可以展望一个更令人兴奋的未来,在拓扑材料数据库和拓扑量子化学的基础上,通过人类直觉和人工智能的结合,设计出具有先进功能的材料”。

【总编辑圈点】

数学无处不在,万物皆可拓扑。此前,理论物理学家指出,看起来所有材料都存在某种拓扑态。当本来属于几何领域的拓扑概念进入物理世界,物质相变就更加“灵动”多样。此次,科研人员用超级计算机绘制了96000多种天然和合成晶体材料的电子结构图,筛选出了各种已知的拓扑相,给后人的研究,树立了更加清晰的指引路牌。它相当于告诉人们,哪些材料具备哪些潜力,就看科研人员能否用合适的方法挖掘或者设计出来了。正如研究人员所说,它可以让我们展望一个更令人兴奋的未来。

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