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      拓扑物理学即将迎来爆发吗
      发布日期:2019/2/28 10:33:01  来源:中国科学报 作者: 陆琦  浏?#26469;?#25968;:

      ——最新研究表明,自然界中约24%的材料可能具有拓扑结构

      ■本报记者 陆琦

      拓扑物理学领域可能即将迎来它的爆发。2月28日凌晨,来自中科院物理所、南京大学和美国普林斯顿大学的3个研究组分别在《自然》杂志发布了最新相关研究成果。

      他们的研究表明,数千种已知材料都可能具有拓扑性质,即自然界中大约24%的材料可能具有拓扑结构。

      这个数字让人震惊。因为在这之前,科学家知道的拓扑材?#29616;?#26377;几百种,其中被详细研究过的只有十几种。

      当物理遇见拓扑:打开一扇窗

      拓扑,描述的是几何图?#20301;?#31354;间在连续改变形状后还能保持不变的性质。?#26434;?#26222;通人来说,这可能是让人云里雾里的科学名词。但当“拓扑”这一数学概念被引入物理学领域后,一方面推动了基础物理学研究的发展,另一方面也促使大量新颖拓扑材料出现。

      上世纪80年代初,物理学家第一次把宏观的观测量——霍尔电导和数学?#31995;?#25299;扑不变量联系起来,给出了量子霍尔效应的拓扑诠释。

      在南京大学物理学院教授万贤纲看来,这为物理学打开了一扇全新的窗户。2016年?#24403;?#23572;物理学?#20445;?#23601;授予了在拓扑物理学方面有开创性贡献的3位理论物理学家。

      20多年间,科学家进一步发现在不同的维度和对称性下,还存在着各种各样的描述电子波函数结构的宏观量子数,即拓扑不变量。而具有非零的拓扑不变量的材料,就被称为拓扑材料。

      “拓扑材料都有着新奇的表面态。”中科院物理所研究员方辰介绍说。

      比如,二维拓扑绝缘体的表面态被称为螺旋表面态,当电子处在这样的状态?#20445;?#23427;在前进过程中不会被杂质散射,因此原则上利用这一特点可以实现无能耗的传输。这让拓扑材料成为实现超低功耗电子元件的候选者。

      又如具有拓扑性质的超导材料(简称拓扑超导体),这类材?#31995;?#36793;界态被称为“马约拉纳零模”。它们在量子统计上具有特殊性质,被认为是实现量子?#25169;?#26426;的可能的物理基础。

      越来越多的科学家开?#23478;?#35782;到,拓扑材料可能比预期的更加普遍和新奇。它们近在眼前,只是没想到好的方法去寻找它们。

      从几百种到几千种:算法的突破

      拓扑材?#31995;?#26680;心属性是具有非零的拓扑不变量。方辰表示,大多数新发现的拓扑不变量并不?#26434;?#30528;量子化的一个可观测量,直接的观测相当困难,而实验的观测基本上都是间接的。

      鉴于在实验上观测拓扑性质是一项比较耗时耗力的工作,一般认为比较有效率的方法是先用?#25169;?#29289;理的方法去?#25169;?#26448;?#31995;?#25299;扑不变量。当在理论上发现该不变量确实不为零之后,再去生长材料、做实验。

      于是,发现拓扑材?#31995;?#31532;一步成了在?#25169;?#19978;确?#32454;?#26448;?#31995;?#25299;扑不变量。然而,由于很多拓扑不变量的表达式非常繁难,使得这样的?#25169;?#38656;要在此方面有所专攻的?#25169;?#29289;理专家耗费相当长的时间才能完成。

      “我们?#25159;?#20102;‘曲线救国’的思路,大大化简了不变量的?#25169;恪!?#26041;辰研究组放弃不变量原本的复杂表达式,转而去?#25169;?#26448;料能带的对称性数据,然后根据之前建立的“从对称性信息到拓扑不变量的?#25104;?#20851;系?#20445;?#25512;导出材?#31995;?#25299;扑不变量的信息。

      ?#25169;?#26159;全自动完成的,没有任何?#23435;?#35843;节的参数,有着百分之百的可重复性。用这种方法,他们找到了8000个以?#31995;?#25299;扑材料。

      万贤纲等则放弃了?#25169;?#25299;扑不变量这一传统方案,通过分析占据能带对称性在原子绝缘体基组下展开系数是否为整数,判断材?#31995;?#25299;扑性质。在笔记本电脑上,半小时可构造230个空间群的原子绝缘体基组,不仅速度快了很多,可操作性也非常大。

      “工作是在我们课题组?#32422;?#23454;验室的?#25169;?#26426;上完成的,并不需要超?#37117;扑?#26426;,大概花了一个多月的时间系统搜索了整个材料数据库,找到了几千种拓扑材料。”万贤纲说。

      这令实验物理学家兴奋不已,“这给接下来的实验工作提供了大量的线索和机会”。

      从数据库到新材料:交叉研究的产生

      科学家将他们的算法集成到了可检索的数据库中。只需输入材?#31995;?#32452;?#32622;?#31216;,点击一下,就可以知道这种材料是否存在拓扑结构。

      方辰研究组的数据库(http://materiae.iphy.ac.cn)提供的拓扑材料数超过8000个,包括材?#31995;?#26230;体结构三维图、拓扑不变量列表等几乎所有重要的基本信息,同时考虑了自旋轨道耦合可忽略/不可忽略两种情况。

      万贤纲研究组的数据库(http://ccmp.nju.edu.cn)则是经过了一定的?#26031;?#25315;选,虽然目录中的材料数目略少,但是从某些角度看来,如作为拓扑材?#31995;?#29305;异性等物理性质是相对更好的。

      普林斯顿数据库(以文章的形式发布)的优势,是其考虑了晶体材料合成的难易程度,排除了一些无法在实验中完成单晶合成的材料,因此被称为?#26696;?#36136;量”拓扑材料库。

      不过,万贤纲坦言,目前的研究仍然是有限的。现在找的都是非磁材料,他想把已有的方法进一步发展,用来找磁性材料,因为这些材料也可能具有拓扑性质。

      方辰也表示,从更长远的角度来看,应该以一种合适的方式引入带磁性的拓扑材料。这需要在理论?#32454;?#22909;地理解磁性材?#29616;?#30340;拓扑不变量,并确定在磁性材?#29616;?#22788;理电子强关联效应的?#25169;?#26041;法。“这两件?#34385;?#37117;有着相当的难度,尤其是后者。”

      “我们只是做了第一步,提供了一些拓扑材料‘候选人’,‘好不好用’还要靠实验物理学家去探索。”万贤纲说。

      方辰最希望看到的,则是交叉研究的产生。比方说,本来知道某个材料是超导体,通过他们的数据库发现它又有拓扑性质。这?#26434;?#31185;学家来说,可能一下就开辟了新的研究角度,能提出新的问题。

      相关论文信息:

      https://doi.org/10.1038/s41586-019-0944-6

      https://doi.org/10.1038/s41586-019-0937-5

      https://doi.org/10.1038/s41586-019-0954-4

      《中国科学报》 (2019-02-28 第1版 要闻)


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