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发现新的拓扑材料的新方法

编辑:博阳新科技 发表时间:2017-7-20
电子性质的拓扑材料
图:研究人员已经发现了如何识别具有独特和理想的电子性质的拓扑材料的新例子。该技术涉及找到描述固体中电子的能级的带理论与材料的拓扑性质之间的连接。

一个国际研究团队已经找到了一种方法来确定晶体是否是拓扑绝缘体,并且预测晶体结构和化学组成可能出现新的晶体结构。7月20日在拓扑绝缘子在自然界中,由于其异国电子产品,广泛的技术应用承诺的拓扑材料在过去十年中吸引了大量的理论和实验兴趣,最终达到了2016年诺贝尔物理学奖。

材料的电子性能包括电流无阻力的能力,并以非常规方式响应于电场和磁场。然而,到目前为止,新的拓扑材料的发现主要是通过试错法发生的。本周描述的新方法允许研究人员识别大量潜在的新型拓扑绝缘子。研究代表了拓扑学物理学的一个基本进步,并且改变了拓扑学特性的理解方式。

该团队包括普林斯顿大学,巴里·布拉德林和珍妮弗·卡诺,普林斯顿理论科学中心的副研究学者王志军博士后研究员,物理学教授;毕尔巴鄂巴斯克大学的教授和教授;巴斯克大学助理教授和西班牙的国际物理中心;和德国马克斯·普朗克固体化学物理研究所教授。我们的方法允许更容易找到拓扑材料,避免了详细计算的需要。对于一些特殊的格子,我们可以,无论材料是绝缘体还是金属,一些拓扑将会发生。

研究人员,到目前为止,在材料数据库中编目的大约20万种材料中,只有大约几百种已知可以承载拓扑行为。这提出了团队的问题拓扑材料真的很稀缺,还是仅仅反映了对固体的不完全了解?。研究人员发现,近几十年来,固体的乐队理论被认为是量子力学早期具有里程碑意义的成就之一。由瑞士出生的物理学家费利克斯·布洛赫和其他人士所倡导的,该理论将晶体中的电子描述为存在于称为条带的特定能级中。如果一组频带中的所有状态都充满电子,则电子不能移动,并且材料是绝缘体。如果某些状态未被占用,则电子可以从原子移动到原子,并且材料能够传导电流。然而,由于晶体的对称性,固体中电子的量子态具有特殊的性质。

这些状态可以描述为一组以其动量,能量和形状为特征的互连带。这些带之间的连接在图形上类似于缠结的意大利面条,产生了可以在无阻力的表面或边缘上行进的电子的拓扑行为。该团队通过系统的搜索来识别许多以前未被发现的候选拓扑资料家族。该方法将化学,数学,物理和材料科学等不同领域的工具结合起来。首先,该团队将所有可能的电子轨道结构表征出所有可能的原子位置处的电子轨道,用于自然界中存在的所有可能的晶体图案或对称基团,磁性晶体除外。

为了寻找拓扑乐队,团队首先找到了一种方法来枚举所有允许的非拓扑乐队,同时了解列表中的任何内容都必须是拓扑。使用团体理论中的工具,团队将所有可能出现的非拓扑带结构组织成类。接下来,通过使用称为图论的数学分支搜索引擎用于确定网站之间的链接的相同方法团队确定了所有带结构的允许连接模式。乐队可以分开或连接在一起。数学工具确定了自然界中所有可能的带结构拓扑和非拓扑。

但是,已经列举了非拓扑结构,该团队能够显示哪些频带结构是拓扑的。通过观察不同晶体的对称性和连通性,该团队确定了几个晶体结构,由于其带的连接,必须承载拓扑带。该团队通过毕尔巴鄂晶体服务器向公众提供了关于非拓扑带和频段连接的所有数据。使用这些工具,连同我们的结果,来自世界各地的研究人员可以快速确定感兴趣的材料是否可能是潜在的拓扑结构。

研究表明,对称性,拓扑结构,化学和物理学都可以在我们对材料理解中发挥重要作用,。新理论将两个以前缺失的成分,带拓扑和轨道杂交嵌入到的理论中,为发现和表征具有拓扑性质的金属和绝缘体提供了一条规定性的途径。罗格斯大学物理和天文学教授戴维·范德比尔特没有参与这项研究,所以这项工作非常值得称赞。范德比尔特我们大多数人认为,在这种巨大的水晶阶层之中,拓扑的可能性将会被彻底编排,这将是许多年。这就是为什么及其同事的工作让人吃惊,他们已经开发出了一套卓越的原则和算法,使他们能够一目了然地构建这个目录,而且将理论方法与材料相结合数据库搜索方法对大量新型拓扑绝缘材料进行具体预测。

这些材料的理论基础称为拓扑学,因为它们是通过在物体被拉伸,扭曲或变形时保持完整的特性来描述的,导致了2016年诺贝尔物理学奖获得者,普林斯顿大学的谢尔曼飞兆半导体大学物理学教授,布朗大学的博士和华盛顿大学的。化学和物理学采用不同的方法来描述晶体材料,其中原子以规则有序的图案或对称性发生。化学家倾向于关注原子及其周围的电子云,称为轨道。物理学家倾向于关注电子本身,当它们从原子跳跃到原子并且由它们的动量描述时,它们可以携带电流。

这个简单的事实电子的物理学通常以动量来描述,而电子的化学通常通过电子轨道来描述已经在这个领域留下了机会的物质发现,王。我们最初开始更好地了解拓扑材料的化学性质,以了解为什么一些材料必须是拓扑的。补充然而,出来的东西更有趣一种化学,物理和数学的结合方式,在百年历史的电子学理论中添加了最后一个缺失的成分,并在当今的拓扑学材料中搜索。

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