In een grote stap voorwaarts voor een onderzoeksgebied dat in 2016 de Nobelprijs voor natuurkunde opleverde, een internationaal team heeft ontdekt dat stoffen met exotisch elektronisch gedrag, topologische materialen genoemd, in feite heel gewoon zijn, en bevatten alledaagse elementen zoals arseen en goud. Het team heeft een online catalogus gemaakt om het gemakkelijk te maken om nieuwe topologische materialen te ontwerpen met behulp van elementen uit het periodiek systeem.

Deze materialen hebben onverwachte en vreemde eigenschappen die het begrip van wetenschappers over hoe elektronen zich gedragen hebben veranderd. Onderzoekers hopen dat deze stoffen de basis kunnen vormen van technologieën van de toekomst, zoals apparaten met een laag vermogen en kwantumcomputers.

"Zodra de analyse was uitgevoerd en alle fouten waren gecorrigeerd, het resultaat was verbluffend:meer dan een kwart van alle materialen vertoont een soort topologie, " zei B. Andrei Bernevig, een senior auteur op het papier en hoogleraar natuurkunde aan Princeton. "Topologie is alomtegenwoordig in materialen, niet esoterisch."

Topologische materialen zijn intrigerend omdat hun oppervlakken elektriciteit kunnen geleiden zonder weerstand, ze zijn dus potentieel sneller en energiezuiniger dan de huidige technologieën. Hun naam komt van een onderliggende theorie die is gebaseerd op topologie, een tak van de wiskunde die objecten beschrijft aan de hand van hun vermogen om te worden uitgerekt of gebogen.

Het begin van het theoretische begrip van deze toestanden van materie vormde de basis van de 2016 Nobelprijs voor de natuurkunde, gedeeld door Princeton University-professor F. Duncan Haldane, de Sherman Fairchild University hoogleraar natuurkunde, J. Michael Kosterlitz van Brown University, en David J. Thouless, Universiteit van Washington, Seattle.

Tot nu, slechts een paar honderd van de meer dan 200, 000 bekende anorganische kristallijne materialen zijn gekarakteriseerd als topologische, en men dacht dat het anomalieën waren.

"Als het helemaal klaar is, deze catalogus luidt een nieuw tijdperk van topologisch materiaalontwerp in, "Zei Bernevig. "Dit is het begin van een nieuw type periodiek systeem waar verbindingen en elementen worden geïndexeerd door hun topologische eigenschappen in plaats van door meer traditionele middelen."

Het internationale team omvatte onderzoekers van Princeton; het Donostia International Physics Center in San Sebastian, Spanje; de IKERBASQUE Baskische Stichting voor Wetenschap; de Universiteit van Baskenland; Ecole Normale Superieure Parijs en het Franse Nationale Centrum voor Wetenschappelijk Onderzoek; en het Max Planck Instituut voor Chemische Fysica van Vaste Stoffen.

Het team onderzocht ongeveer 25, 000 anorganische materialen waarvan de atomaire structuren experimenteel met precisie bekend zijn, en geclassificeerd in de Anorganic Crystal Structure Database. De resultaten tonen aan dat in plaats van zeldzaam te zijn, meer dan 27 procent van de materialen in de natuur zijn topologisch.

Met de nieuw gecreëerde database kunnen bezoekers elementen uit het periodiek systeem selecteren om verbindingen te maken die de gebruiker vervolgens kan onderzoeken op zijn topologische eigenschappen. Meer materialen worden momenteel geanalyseerd en in een database geplaatst voor toekomstige publicatie.

Twee factoren maakten de complexe taak van het topologisch classificeren van de 25 mogelijk, 000 verbindingen.

Eerst, twee jaar geleden, sommige van de huidige auteurs ontwikkelden een theorie, bekend als topologische kwantumchemie en gepubliceerd in Natuur in 2017, waardoor de classificatie van de topologische eigenschappen van elk materiaal mogelijk was vanuit de eenvoudige kennis van de posities en aard van de atomen.

Tweede, in de huidige studie, het team paste deze theorie toe op de verbindingen in de anorganische kristalstructuurdatabase. Daarbij, de auteurs moesten bedenken, schrijf en wijzig een groot aantal geautomatiseerde instructies om de energieën van elektronen in de materialen te berekenen.

"We moesten deze oude programma's ingaan en nieuwe modules toevoegen die de vereiste elektronische eigenschappen zouden berekenen, " zei Zhijun Wang, die een postdoctoraal onderzoeksmedewerker was aan Princeton en nu professor is aan het Beijing National Laboratory for Condensed Matter Physics en het Institute of Physics, Chinese Wetenschapsacademie.

"Vervolgens moesten we deze resultaten analyseren en hun topologische eigenschappen berekenen op basis van onze nieuw ontwikkelde topologische kwantumchemiemethodologie, " zei Luis Elcoro, een professor aan de Universiteit van Baskenland in Bilbao, Spanje.

De auteurs schreven verschillende sets codes die de topologie van elektronen in echte materialen verkrijgen en analyseren. De auteurs hebben deze codes openbaar gemaakt via de Bilbao Crystallographic Server. Met de hulp van het Max Planck Supercomputer Center in Garching, Duitsland, de onderzoekers voerden vervolgens hun codes uit op de 25, 000 verbindingen.

"Computationeel, het was behoorlijk ongelooflijk intensief spul, " zei Nicolas Regnault, een professor aan de Ecole Normale Supérieure, Parijs, en een onderzoeksdirecteur bij het Franse Nationale Centrum voor Wetenschappelijk Onderzoek. "Gelukkig, de theorie liet ons zien dat we slechts een fractie van de gegevens hoeven te berekenen die we eerder nodig hadden. We moeten kijken naar wat het elektron slechts in een deel van de parameterruimte 'doet' om de topologie van het systeem te verkrijgen."

"Ons begrip van materialen is veel rijker geworden door deze classificatie, " zei Maia Garcia Vergniory, een onderzoeker bij Donostia International Physics Center in San Sebastian, Spanje. "Het is echt de laatste regel van begrip van eigenschappen van materialen."

Claudia Felser, een professor aan het Max Planck Instituut voor Chemische Fysica van Vaste Stoffen in Dresden, Duitsland, had eerder eerder voorspeld dat zelfs goud topologisch is. "Veel van de materiële eigenschappen die we kennen, zoals de kleur van goud, kunnen worden begrepen door topologisch redeneren, ' zei Felser.

Het team werkt nu aan het classificeren van de topologische aard van aanvullende verbindingen in de database. De volgende stappen omvatten het identificeren van de verbindingen met de beste veelzijdigheid, geleidbaarheid en andere eigenschappen, en het experimenteel verifiëren van hun topologische aard. "Men kan dan dromen over een volledig topologisch periodiek systeem, ' zei Bernevig.

De studie, "Een complete catalogus van hoogwaardige topologische materialen." Door M.G. Vergniory, L. Elcoro, Claudia Felser, Nicolas Regnault, B. Andrei Bernevig en Zhijun Wang, werd online gepubliceerd in het tijdschrift Natuur op 28 februari, 2019.