人們?cè)?jīng)認(rèn)為,外部導(dǎo)電但內(nèi)部絕緣的材料是不常見(jiàn)的。然而,德國(guó)德累斯頓馬克斯·普朗克固體化學(xué)物理研究所的計(jì)算化學(xué)家Maia Vergniory及其同事最近證明了事實(shí)并非如此。他們發(fā)現(xiàn)了數(shù)以萬(wàn)計(jì)的此類(lèi)拓?fù)浣^緣體以及其他具有值得關(guān)注的拓?fù)涮匦缘牟牧希⑦@些結(jié)果創(chuàng)建成拓?fù)洳牧蠑?shù)據(jù)庫(kù) (www.topologicalquantumchemistry.com)。Vergniory 對(duì) Margaret Harris 講述了她所在的團(tuán)隊(duì)如何進(jìn)行這種搜索以及數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)其領(lǐng)域的意義。
拓?fù)洳牧夏夸洝S蒑aia Vergniory及其同事創(chuàng)建的拓?fù)洳牧蠑?shù)據(jù)庫(kù)是一種可搜索的網(wǎng)站工具,包含9萬(wàn)多種已知拓?fù)洳牧?(譯者注:判別的已知拓?fù)洳牧蠟?千多種)
Q:什么是拓?fù)洳牧希?/p>
拓?fù)洳牧现凶钣腥さ氖峭負(fù)浣^緣體,它們的內(nèi)部絕緣但表面導(dǎo)電。這類(lèi)材料中的電子導(dǎo)電通道非常穩(wěn)定,對(duì)實(shí)驗(yàn)中可能遇到的一些外部干擾不敏感,例如弱無(wú)序或溫度波動(dòng),也不依賴(lài)于材料的尺寸。以上特性很有趣,因?yàn)檫@意味著這類(lèi)材料具有恒定的電阻和電導(dǎo)率??蓪?duì)電流進(jìn)行如此嚴(yán)格的控制對(duì)于許多應(yīng)用都很有用。
Q:能否舉些拓?fù)浣^緣體的例子?
最著名的例子可能是砷化鎵,它是一種二維半導(dǎo)體,常用于整數(shù)量子霍爾效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)中。在新一代拓?fù)浣^緣體中,最著名的是硒化鉍,但并未引起像砷化鎵那樣的廣泛關(guān)注。(譯者注:整數(shù)量子霍爾效應(yīng)中用到的是GaAs和AlGaAs生長(zhǎng)成的異質(zhì)結(jié),用該量子阱去限制電子成為二維電子氣。)
Q:為什么您和同事決定尋找新的拓?fù)洳牧希?/p>
當(dāng)時(shí)人們所知的拓?fù)洳牧虾苌?,于是我們想到,“如果能開(kāi)發(fā)一種可以快速計(jì)算或判別拓?fù)涞姆椒?,我們就可以得知是否存在具有更?yōu)性質(zhì)的拓?fù)洳牧稀薄?/p>
例如電子能帶的帶隙便是一種優(yōu)化屬性。由于拓?fù)浣^緣體的體內(nèi)是絕緣的,因此其體內(nèi)有一個(gè)“禁止”的能量范圍,在這個(gè)區(qū)域內(nèi)的電子無(wú)法傳輸;然而該能量范圍的電子可以存在于材料的表面,在表面形成導(dǎo)電通道。材料的電子帶隙越大,它就越是一個(gè)好的拓?fù)浣^緣體。
Q:您是如何著手尋找新的拓?fù)洳牧系模?/p>
我們開(kāi)發(fā)了一種基于材料晶體對(duì)稱(chēng)性的算法,這是以前沒(méi)有考慮到的。在計(jì)算拓?fù)湫再|(zhì)時(shí),晶體的對(duì)稱(chēng)性非常重要,因?yàn)槟承┩負(fù)洳牧虾湍承┩負(fù)湎嘈枰囟ǖ膶?duì)稱(chēng)性(或缺乏對(duì)稱(chēng)性)才能存在。
例如,整數(shù)量子霍爾效應(yīng)不需要任何晶體對(duì)稱(chēng)性的保護(hù),但它確實(shí)需要打破一種對(duì)稱(chēng)性,即時(shí)間反演對(duì)稱(chēng)性。這意味著材料需要具有磁性,或者對(duì)材料施加非常大的外部磁場(chǎng)。
但其他拓?fù)湎啻_實(shí)需要對(duì)稱(chēng)性的保護(hù),我們也設(shè)法確定了它們所需要的對(duì)稱(chēng)性。然后,一旦我們確定了所有的拓?fù)湎嗪退鼈儗?duì)應(yīng)的對(duì)稱(chēng)性,就可以對(duì)它們進(jìn)行拓?fù)浞诸?lèi)——因?yàn)檫@就是物理學(xué)家所做的事情,即對(duì)物態(tài)進(jìn)行分類(lèi)。
我們從2017年開(kāi)始研究理論表述,并在兩年后發(fā)表了第一篇與該理論表述相關(guān)的論文。但直到現(xiàn)在,我們才最終完成了所有的工作并將結(jié)果發(fā)表出來(lái)。
Q:這項(xiàng)工作中的合作者有誰(shuí),每個(gè)人的貢獻(xiàn)如何?
我設(shè)計(jì)(并部分執(zhí)行)了第一性原理計(jì)算,其中考慮了如何計(jì)算真實(shí)材料并“判別”它們是否具有拓?fù)涮匦?。為此,我們使用了最先進(jìn)的代碼和自主開(kāi)發(fā)的代碼來(lái)判別材料中電子性質(zhì)以及對(duì)材料的拓?fù)湫再|(zhì)進(jìn)行分類(lèi)。
對(duì)拓?fù)洳牧系睦碚摲治龊蛿?shù)據(jù)分析是由Benjamin Wieder和Luis Elcoro完成的,因?yàn)樗麄兪歉埠说睦碚撐锢韺W(xué)家,對(duì)拓?fù)鋺B(tài)進(jìn)行了分析和分類(lèi)。另一個(gè)非常重要的貢獻(xiàn)者和該項(xiàng)目的領(lǐng)導(dǎo)者是Nicolas Regnault,我們一起建立和設(shè)計(jì)了拓?fù)洳牧蠑?shù)據(jù)庫(kù)網(wǎng)站。
另外,我們還得到了Stuart Parkin和Claudia Felser的幫助。他們是材料專(zhuān)家,因此他們可以就材料是否合適向我們提供建議。然后是這個(gè)工作的協(xié)調(diào)者Andrei Bernevig,此前我們已經(jīng)合作多年了。
Q:你們發(fā)現(xiàn)了什么?
我們發(fā)現(xiàn)有很多材料具有拓?fù)湫再|(zhì)——多到數(shù)以萬(wàn)計(jì)。我們對(duì)這個(gè)數(shù)字感到驚訝。
Q:考慮到拓?fù)洳牧洗嬖诘钠毡樾?,您為何?huì)對(duì)這個(gè)結(jié)果感到驚訝呢?為什么以前沒(méi)有人注意到有如此多的拓?fù)洳牧夏兀?/p>
我不知道為什么研究者們之前錯(cuò)過(guò)了如此多的拓?fù)洳牧虾屯負(fù)湫再|(zhì),這里不僅僅是我們材料科學(xué)和凝聚態(tài)物理領(lǐng)域的研究者們。量子力學(xué)已經(jīng)存在了一個(gè)世紀(jì),這些拓?fù)湫再|(zhì)很微妙,但并不復(fù)雜。然而,所有聰明的量子力學(xué)“前輩”都完全錯(cuò)過(guò)了這個(gè)理論表述。
Q:有沒(méi)有人試過(guò)合成這些材料并檢查它們是否確實(shí)表現(xiàn)為拓?fù)浣^緣體?
有一些,但并不是所有的都被驗(yàn)證過(guò),因?yàn)閿?shù)量太多了。在這項(xiàng)工作之后,實(shí)驗(yàn)上又合成了一些新型拓?fù)洳牧?,例如高階拓?fù)浣^緣體Bi4Br4。
Q:您和同事構(gòu)建的拓?fù)洳牧蠑?shù)據(jù)庫(kù)被描述為“拓?fù)洳牧现芷诒怼?。是什么性質(zhì)決定了它的結(jié)構(gòu)?
拓?fù)湫再|(zhì)與電子電流有關(guān),是材料的全局性質(zhì)。此前物理學(xué)家沒(méi)有考慮電子拓?fù)湫再|(zhì)的原因之一,可能是因?yàn)樗麄兎浅jP(guān)注局部屬性,而不是全局屬性。所以從這個(gè)意義上說(shuō),拓?fù)渲匾膶傩耘c電荷在實(shí)空間的位置以及其定義方式有關(guān)。(譯者注:電子電流指拓?fù)洳牧系倪吔?表面態(tài),在實(shí)空間對(duì)應(yīng)導(dǎo)電通道。)
我們發(fā)現(xiàn),如果知道材料的晶體對(duì)稱(chēng)性,就可以預(yù)測(cè)電荷的行為或流動(dòng)方式。這也是我們?nèi)绾螌?duì)拓?fù)湎噙M(jìn)行分類(lèi)的。
Q:拓?fù)洳牧蠑?shù)據(jù)庫(kù)如何工作?研究人員在使用它時(shí)會(huì)做什么?
首先,他們輸入材料的化學(xué)式。例如,如果您對(duì)食鹽感興趣,它的化學(xué)式為NaCl。因此,您將Na和Cl輸入搜索欄,之后便可得知該材料所有的性質(zhì)。使用起來(lái)非常簡(jiǎn)單。
Q:您是說(shuō)普通食鹽是一種拓?fù)洳牧蠁??這太神奇了。除了熟悉材料的拓?fù)涮匦宰屓藗兏械襟@訝之外,您希望此數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)這個(gè)領(lǐng)域產(chǎn)生什么影響?
我希望它能幫助實(shí)驗(yàn)學(xué)家弄清楚他們應(yīng)該生長(zhǎng)哪些材料?,F(xiàn)在我們已經(jīng)分析了材料的全部特性,實(shí)驗(yàn)學(xué)家可以說(shuō),“好吧,這個(gè)材料所處的電子輸運(yùn)態(tài)不好,但是如果我對(duì)它進(jìn)行電子摻雜,那么我們將可以獲得一個(gè)非常有趣的輸運(yùn)態(tài)”。因此,從某種意義上說(shuō),我們希望它能幫助實(shí)驗(yàn)者找到好的材料。
Q:由于可能與量子計(jì)算有關(guān),最近拓?fù)洳牧弦鹆撕芏嚓P(guān)注。這是你工作的一大動(dòng)力嗎?
這是相關(guān)的,但每個(gè)領(lǐng)域都有不同的分支,我想說(shuō)我們的工作處在一個(gè)不同的分支中。當(dāng)然,你需要一個(gè)拓?fù)洳牧献鳛槠脚_(tái),隨后才能使用任何可能的比特(量子比特)來(lái)開(kāi)發(fā)拓?fù)淞孔佑?jì)算機(jī),所以我們所做的對(duì)此很重要。但是開(kāi)發(fā)拓?fù)淞孔佑?jì)算機(jī)將需要在材料設(shè)計(jì)方面做更多的工作,因?yàn)椴牧系某叽缙鹬匾饔?。我們目前研究的是三維材料,對(duì)于量子計(jì)算的平臺(tái)來(lái)說(shuō),可能需要關(guān)注二維系統(tǒng)。
不過(guò),我們的工作還有其他應(yīng)用。例如,您可以使用該數(shù)據(jù)庫(kù)查找太陽(yáng)能電池的材料,或用于催化、探測(cè)器或低耗散電子設(shè)備的材料。除了異常奇特的應(yīng)用之外,日常應(yīng)用方面的可能性也非常重要。但我們做這項(xiàng)工作的真正動(dòng)機(jī)是理解能帶拓?fù)渲械奈锢怼?/p>
Q:您和合作者的下一步研究計(jì)劃是什么?
我想研究有機(jī)材料。當(dāng)前數(shù)據(jù)庫(kù)的重點(diǎn)是無(wú)機(jī)材料,因?yàn)槲覀円詿o(wú)機(jī)晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)為起點(diǎn),但有機(jī)材料也很有趣。我還想研究更多的磁性材料,因?yàn)閿?shù)據(jù)庫(kù)中報(bào)告的磁性材料比非磁性材料少。最后,我還想看看具有手性對(duì)稱(chēng)性的材料——也就是說(shuō),它們的結(jié)構(gòu)有“左手手性”和“右手手性”兩種。
Q:您認(rèn)為在有機(jī)材料或磁性材料中還會(huì)有數(shù)千種拓?fù)洳牧蠁幔?/p>
我不知道。這取決于電子能帶中帶隙的大小。讓我們拭目以待!
(譯者注:Maia Vergniory在采訪(fǎng)中介紹了近年來(lái)參與的與拓?fù)洳牧系挠?jì)算和預(yù)言有關(guān)的重要工作,即拓?fù)洳牧系挠?jì)算數(shù)據(jù)庫(kù),相關(guān)論文分別于2019年和2022年發(fā)表于Nature和Science。事實(shí)上,在2017年,業(yè)內(nèi)人士就已經(jīng)意識(shí)到,能帶中拓?fù)湫再|(zhì)的全自動(dòng)、快速判別是可能的。中科院物理所團(tuán)隊(duì)與美國(guó)哈佛大學(xué)團(tuán)隊(duì)在2017年底獨(dú)立發(fā)布了“拓?fù)湓~典”,即非磁性晶體材料中對(duì)稱(chēng)性質(zhì)到拓?fù)湫再|(zhì)的完整映射。根據(jù)“拓?fù)湓~典”,中科院物理所團(tuán)隊(duì)于2018年7月上線(xiàn)了國(guó)際首個(gè)拓?fù)洳牧嫌?jì)算數(shù)據(jù)庫(kù)Materiae (與被采訪(fǎng)者的Topological Materials Database同日上線(xiàn))。之后,我國(guó)南京大學(xué)團(tuán)隊(duì)也上線(xiàn)了自己的拓?fù)洳牧嫌?jì)算數(shù)據(jù)庫(kù)Topological Materials Arsenal。中科院物理所團(tuán)隊(duì)、南京大學(xué)團(tuán)隊(duì)與受訪(fǎng)者團(tuán)隊(duì),于2019年2月在Nature上同期獨(dú)立發(fā)表了相關(guān)論文。)
-
拓?fù)?/span>
+關(guān)注
關(guān)注
4文章
346瀏覽量
30044 -
材料
+關(guān)注
關(guān)注
3文章
1343瀏覽量
27895 -
數(shù)據(jù)庫(kù)
+關(guān)注
關(guān)注
7文章
3922瀏覽量
66154
原文標(biāo)題:拓?fù)洳牧现芷诒?/p>
文章出處:【微信號(hào):bdtdsj,微信公眾號(hào):中科院半導(dǎo)體所】歡迎添加關(guān)注!文章轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。
發(fā)布評(píng)論請(qǐng)先 登錄
JCMsuite應(yīng)用:一維周期線(xiàn)柵
JCMsuite應(yīng)用:一維周期線(xiàn)柵
ServiceAbility的生命周期介紹
開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)如何選擇合適拓?fù)?/b>

開(kāi)關(guān)電源拓?fù)?/b>結(jié)構(gòu)介紹
反向降壓拓?fù)?/b>如何替代非隔離反激式拓?fù)?/b> 德州儀器反向降壓拓?fù)?/b>詳細(xì)解析

未來(lái)產(chǎn)業(yè) | 量子科技核心材料體系

評(píng)論