《Nature》正刊刊登南京大学万贤纲团队研究成果:“渔网式搜索”揭秘近万种拓扑材料


如何寻找一种拓扑材料?以前,在各类材料库的大海里,一种“鱼竿”只能“钓”出一种拓扑材料,“愿者上钩”;现在,“一张大渔网”就可以一网打尽,效率大大提高。2月28日,国际学术期刊《自然》正刊以《利用对称性指标进行拓扑材料全面搜索》为题,发表了这一重要研究——南京大学物理学院万贤纲教授的科研团队及其哈佛大学合作者,系统地大规模搜索了整个材料数据库,获得大量拓扑材料线索,并以此为基础设立了拓扑材料基因库。

万贤纲团队Nature论文

近年来,拓扑量子态是物理学和材料科学领域的前沿热点。2016年诺贝尔物理学奖授予了三位科学家,以表彰他们发现物质拓扑相以及在拓扑相变方面作出的理论贡献。随着新的拓扑相出现,人们发现,拓扑材料具有常规材料没有的奇特物性,在电子、信息和半导体技术等方面有很大潜力。
目前,科学家主要通过计算拓扑不变量寻找各种拓扑相,这种方法效率较低,所以已知的拓扑材料数目十分有限。因而,发展新的理论方法,高效寻找理想的、有实用价值的拓扑材料体系有着重要的科学价值和广阔的应用前景。万贤纲教授团队埋首钻研,终于在搜索拓扑材料这个领域实现突破:基于对称指标理论,发展了一套新的高效寻找拓扑材料的理论方法。

使用对称性指标搜索拓扑材料的算法流程图

万贤纲介绍,具体来说,就是发展了一套非常高效的预测拓扑材料的方案。中国科学院院士、南京大学教授邢定钰表示,“这样高效的方案,很适合对晶体库进行地毯式搜索,从而得到拓扑材料基因库。”他认为,拓扑材料基因库将在未来给实验物理学家带来极大便利,将来的研究可以专注于基因库中的材料,而不必像以前那样“大海捞针”。
据悉,万贤纲教授团队的一系列工作始于2017年8月,最开始计划去找寻当时非常新颖的高阶拓扑绝缘体。根据这一高效寻找拓扑材料的理论方法,万贤纲教授团队对所有非磁材料是否拓扑进行分类,发现近50%的材料都是拓扑材料。进而,他们把计算预言的10897种拓扑材料(含费米能级附近有能带交点的体系)的晶体结构信息及电子能带放在网站上,供同行参考与研究。他们还挑选了近一千个费米面比较干净或者能带交点离费米面较近的体系,预言进一步的研究将很可能从中挖掘出适合实际应用的理想拓扑材料。南京微结构国家实验室的博士研究生唐峰为第一作者。人工微结构科学与技术协同创新中心的姚舸工程师协助进行大规模计算和建设拓扑材料网站。
“文章中给出的拓扑材料基因库,有望带来生机勃勃的后续实验或进一步理论探索。他们提出的高效拓扑材料搜索方法也适合其他体系,如声子系统、光子系统、磁性材料等。可以预期,大规模搜索与预测材料将成为凝聚态物理、材料科学的一种趋势,对相关领域发展将有积极推动作用。”邢定钰表示。
值得提及的是,在《自然》正刊同期发表的还有中科院物理所一个研究团队和普林斯顿大学一个研究团队的相关工作,昭示出在拓扑新材料理论设计方面中国科研团队的优势地位。

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