Ar tai topologinė? Nauja medžiagų duomenų bazė turi atsakymą


begalybė

Kreditas: Pixabay / CC0 viešasis domenas

Ko reikės, kad mūsų elektronika būtų išmanesnė, greitesnė ir atsparesnė? Viena idėja yra sukurti juos iš topologinių medžiagų.

Topologija kyla iš matematikos šakos, kuri tiria formas, kuriomis galima manipuliuoti arba deformuotis neprarandant tam tikrų pagrindinių savybių. Spurga yra įprastas pavyzdys: jei ji būtų pagaminta iš gumos, spurgą būtų galima susukti ir išspausti į visiškai naują formą, pavyzdžiui, kavos puodelį, išlaikant pagrindinį bruožą – jos centrinę skylę, kuri yra puodelio rankena. Šiuo atveju skylė yra topologinė savybė, atspari tam tikroms deformacijoms.

Pastaraisiais metais mokslininkai atrado topologijos sąvokas medžiagų su panašiai tvirtomis elektroninėmis savybėmis. 2007 m. mokslininkai numatė pirmuosius elektroninius topologinius izoliatorius – medžiagas, kuriose elektronai elgiasi taip, kad būtų „topologiškai apsaugoti“ arba patvarūs esant tam tikriems sutrikimams.

Nuo tada mokslininkai ieškojo daugiau topologinės medžiagos siekiant sukurti geresnius, tvirtesnius elektroninius prietaisus. Dar visai neseniai buvo nustatyta tik keletas tokių medžiagų, todėl manoma, kad jos yra retenybė.

Dabar MIT ir kitur mokslininkai išsiaiškino, kad iš tikrųjų topologinės medžiagos yra visur, jei žinote, kaip jų ieškoti.

Straipsnyje, paskelbtame m Mokslaskomanda, vadovaujama Nicolas Regnault iš Prinstono universiteto ir École Normale Supérieure Paris, praneša, kad panaudoja kelių superkompiuterių galią nustatyti elektroninė struktūra iš daugiau nei 96 000 natūralių ir sintetinių kristalinių medžiagų. Jie taikė sudėtingus filtrus, kad nustatytų, ar kiekvienoje struktūroje yra topologinių bruožų ir kokie yra.

Apskritai jie nustatė, kad 90 proc kristalinės struktūros turi bent vieną topologinę savybę, o daugiau nei 50 procentų visų natūraliai susidarančių medžiagų pasižymi tam tikru topologiniu elgesiu.

„Mes nustatėme, kad yra visur – topologija yra visur“, – sako Benjaminas Wiederis, vienas iš tyrimo vadovų ir MIT Fizikos katedros postdoc.

Komanda surinko naujai nustatytas medžiagas į naują, laisvai prieinamą Topologinių medžiagų duomenų bazė primenantis periodinę topologijos lentelę. Naudodami šią naują biblioteką, mokslininkai gali greitai ieškoti dominančios medžiagos dėl bet kokių topologinių savybių, kurias jie gali turėti, ir panaudoti jas kurdami itin mažos galios tranzistorius, naują magnetinės atminties saugyklą ir kitus įrenginius, pasižyminčius tvirtomis elektroninėmis savybėmis.

Straipsnyje yra bendraautorė Maia Vergniory iš Donostijos tarptautinio fizikos centro Vergniory, Luisas Elcoro iš Baskų krašto universiteto, Stuartas Parkinas ir Claudia Felser iš Max Planck instituto ir Andrei Bernevig iš Prinstono universiteto.

Už intuicijos ribų

Naują tyrimą paskatino noras paspartinti tradicinę topologinių medžiagų paiešką.

„Pirminės medžiagos buvo rastos per cheminę intuiciją“, – sako Wiederis. “Šis metodas turėjo daug ankstyvų pasisekimų. Tačiau teoriškai numatėme daugiau įvairių topologinių fazių, atrodė, kad intuicija mūsų nenuveda labai toli.”

Vietoj to Wiederis ir jo kolegos panaudojo veiksmingą ir sistemingą metodą, kad išnaikintų topologijos požymius arba tvirtą elektroninį elgesį visose žinomose kristalinėse struktūrose, dar vadinamose neorganinėmis kietojo kūno medžiagomis.

Savo tyrimui mokslininkai pažvelgė į Neorganinių kristalų struktūrų duomenų bazę arba ICSD, saugyklą, į kurią mokslininkai įveda jų tyrinėtų kristalinių medžiagų atomines ir chemines struktūras. Duomenų bazėje yra gamtoje randamų medžiagų, taip pat tų, kurios buvo susintetintos ir manipuliuojamos laboratorijoje. ICSD šiuo metu yra didžiausia medžiagų duomenų bazė pasaulyje, kurioje yra daugiau nei 193 000 kristalų, kurių struktūros buvo sudarytos ir apibūdintos.

Komanda atsisiuntė visą ICSD, o atlikus tam tikrą duomenų valymą, kad pašalintų struktūras su sugadintais failais arba neišsamiais duomenimis, mokslininkams liko kiek daugiau nei 96 000 apdorojamų struktūrų. Kiekvienai iš šių struktūrų jie atliko skaičiavimų rinkinį, pagrįstą pagrindinėmis žiniomis apie cheminių sudedamųjų dalių ryšį, kad sudarytų medžiagos elektroninės struktūros žemėlapį, dar žinomą kaip elektronų juostos struktūra.

Komanda sugebėjo efektyviai atlikti sudėtingus kiekvienos struktūros skaičiavimus, naudodama kelis superkompiuterius, kuriuos vėliau panaudojo antrajam operacijų rinkiniui atlikti, šį kartą tam, kad patikrintų įvairias žinomas topologines fazes arba nuolatinį kiekvienos kristalinės medžiagos elektrinį elgesį.

“Mes ieškome parašų elektroninėje struktūroje, kurioje šioje medžiagoje turėtų atsirasti tam tikrų tvirtų reiškinių”, – aiškina Wiederis, kurio ankstesnis darbas buvo susijęs su atrankos technikos, žinomos kaip topologinė kvantinė chemija, tobulinimas ir išplėtimas.

Atlikusi didelio našumo analizę, komanda greitai atrado stebėtinai daug medžiagų, kurios natūraliai yra topologinės, be jokio eksperimentinio manipuliavimo, taip pat medžiagų, kurias galima manipuliuoti, pavyzdžiui, naudojant lengvą ar cheminį dopingą, kad būtų parodytas tam tikras tvirtumas. elektroninis elgesys. Jie taip pat atrado keletą medžiagų, kuriose buvo daugiau nei viena topologinė būsena, kai buvo veikiamos tam tikromis sąlygomis.

„Topologinės materijos fazės 3D kietojo kūno medžiagose buvo pasiūlytos kaip vieta stebėti ir manipuliuoti egzotiniais efektais, įskaitant elektros srovės ir elektronų sukimosi konversiją, egzotiškų teorijų modeliavimą iš didelės energijos fizikos ir net pagal tinkamos sąlygos, kvantinės informacijos saugojimas ir manipuliavimas“, – pažymi Wiederis.

Eksperimentalams, tyrinėjantiems tokius efektus, Wiederis teigia, kad naujoji komandos duomenų bazė dabar atskleidžia daugybę naujų medžiagų, kurias reikia ištirti.


Magnetinių topologinių medžiagų pažanga ir perspektyvos


Daugiau informacijos:
Maia G. Vergniory ir kt., Visos nemagnetinių stechiometrinių medžiagų topologinės juostos, Mokslas (2022). DOI: 10.1126/science.abg9094. www.science.org/doi/10.1126/science.abg9094

Citata: Ar tai topologinė? Naujoje medžiagų duomenų bazėje yra atsakymas (2022 m. gegužės 19 d.), gautas 2022 m. gegužės 20 d. iš https://phys.org/news/2022-05-topological-materials-database.html

Šis dokumentas yra saugomas autorių teisių. Išskyrus bet kokius sąžiningus sandorius privačių studijų ar mokslinių tyrimų tikslais, jokia dalis negali būti atkuriama be raštiško leidimo. Turinys pateikiamas tik informaciniais tikslais.