In de decennia sinds ze voor het eerst werden getheoretiseerd, wetenschappers hebben gesuggereerd dat de exotische eigenschappen van topologische materialen - dat wil zeggen, materialen die hun elektrische eigenschappen behouden, zelfs bij radicale temperatuurverschuivingen of structurele vervormingen, kunnen van alles tot gevolg hebben, van energiezuinigere elektronica tot de ontwikkeling van nieuwe supergeleiders en kwantumcomputers.

Het probleem, echter, is dat het identificeren van de materialen met die eigenschappen frustrerend moeilijk is.

Om het proces te versnellen, Hoogleraar natuurkunde Ashvin Vishwanath en zijn collega's voerden een reeks onderzoeken uit om methoden te ontwikkelen voor het efficiënt identificeren van nieuwe materialen die topologische eigenschappen vertonen.

De eerste twee, gepubliceerd in Natuurcommunicatie en wetenschappelijke vooruitgang , en co-auteur met MIT Fellow Hoi Chun "Adrian" Po, doctoraat '18, en professor Haruki Watanabe van de Universiteit van Tokyo, de basis leggen voor het overbruggen van de relevante abstracte wiskundige concepten met het pragmatische probleem van materiaalontdekking. De seconde, gepubliceerd in Natuur in februari en co-auteur met Po en Feng Tang en Xingang Wan, van de Nanjing-universiteit, demonstreert de kracht van de aanpak en voorspelt duizenden kandidaten voor topologische materialen.

"Vroeger, veel moeite was gericht op het kunnen voorspellen of een materiaal een isolator of metaal zou zijn, "Vishwanath zei. "Ongeveer 10 of 20 jaar geleden, Hoewel, mensen realiseerden zich dat we deze topologische materialen konden produceren."

Topologische materialen tarten deze eenvoudige tweedeling. Bijvoorbeeld, ze kunnen een elektrisch isolerend interieur hebben, die is gewikkeld in een dunne huid van metaal. De aanwezigheid van deze metalen coating wordt beschermd door topologie, een wiskundig concept dat zich bezighoudt met eigenschappen die bestand zijn tegen kleine fysieke veranderingen van het systeem. Met andere woorden, als u de metalen huid van een topologische isolator probeert af te pellen, de laag eronder wordt ineens metaalachtig.

"Inzicht in de wiskunde van deze exotische materialen zou ons helpen om echte materialen met deze topologische eigenschappen te vinden, ' zei Po. 'Op dit moment, de manier waarop mensen dit doen, is eigenlijk meer een gok ... wat we wilden doen, was efficiënte manieren bedenken om te diagnosticeren of de materialen waarin je geïnteresseerd bent een goede kans hebben om topologische eigenschappen te hebben."

Het benodigde inzicht geeft een goed inzicht in hoe het gedrag van de elektronen is verweven met de symmetrieën van de kristalstructuur van een materiaal, die kan worden gezien als een bijna oneindige reeks atomen die zijn samengevoegd tot delicate patronen. Deze patronen blijven vaak onveranderd als je je hoofd 90 graden kantelt, of spiegel ze in een spiegel. In de natuurkunde staat deze eigenschap bekend als symmetrie. In de eerste twee kranten Vishwanath en zijn medewerkers voerden een systematische studie uit naar deze intrigerende verwevenheid tussen elektronen en symmetrieën.

"Het eerste probleem is het enorme aantal manieren waarop atomen kristallen kunnen vormen, ' zei hij. 'Zelfs als je de chemische complexiteit vergeet, vergeet welke elementen erin zitten, gewoon in de structuur ... gewoon uit symmetrieoverwegingen, er zijn 230 manieren waarop je atomen tot kristallen kunt samenvoegen."

En daar houdt de complexiteit niet op. Wanneer magnetisme wordt opgenomen, neemt het aantal dramatisch toe, van 230 tot 1, 651.

Een oplossing voor het probleem, Watanabe zei, zou zijn om simpelweg elke mogelijke combinatie te testen om tot een uiteindelijke oplossing te komen, maar dat biedt geen inzicht in wat de topologische toestanden creëert waarnaar onderzoekers op zoek zijn.

“We hebben het anders aangepakt, " zei hij. "Het belangrijkste idee was ... we hebben een efficiënte manier gevonden om het probleem te herformuleren zodat de symmetrie-eigenschappen van elektronen worden toegewezen aan coördinaten in een hoogdimensionale ruimte."

Deze coördinaten zijn als adressen, en het team kon zien of een materiaal isolerend was, metalen, of topologisch gebaseerd op zijn symmetrie-indicator - de analoog van een postcode.

belangrijk, deze "postcode" kan gemakkelijk worden gekarakteriseerd. "Terwijl de analyse van elke magnetische ruimtegroep voorheen een afgestudeerde student een dag zou kosten om erachter te komen, "Po zei, "onze nieuwe formulering zorgt voor een eenvoudige automatisering van de taak, die is voltooid op een laptop voor alle 1, 651 gevallen in een halve dag."

De nieuwe Natuur studie bouwt voort op de ideeën die in de eerdere werken zijn geschetst, ze toepassen om bestaande materiaaldatabases te analyseren voor de ontdekking van kandidaten voor topologische materialen. Werken met medewerkers in China, Viswanath zei, het team was in staat om snel de topologische eigenschappen van tienduizenden materialen te diagnosticeren met behulp van symmetrie-indicatoren.

"Op een manier, het is fase twee, " zei hij over de Natuur studie. "Het bewijst het nut van de symmetrie-indicatoren."

"Het is geen complete gratis lunch, ' zei hij. 'Het is niet zo dat je naar het kristal kijkt en in detail analyseert wat de elektronen doen. Liever, we kijken maar naar een heel klein aspect van een ingewikkeld systeem, dus het lijkt een beetje op Sherlock Holmes - uit een paar aanwijzingen kunnen we veel afleiden over de kenmerken van een systeem."

De hoop, Viswanath zei, is dat deze studies de weg zullen effenen voor het ontwikkelen van een "bibliotheek" van topologische materialen die vervolgens verder kunnen worden gekarakteriseerd en mogelijk voor een breed scala aan toepassingen kunnen worden gebruikt.

"Er zijn sommige materialen waarvan wordt voorspeld dat ze topologische eigenschappen hebben, maar waarvoor we geen voorbeeld hebben, "zei hij. "In andere gevallen, we hebben misschien maar één soort topologische toestand ... maar we willen misschien andere hebben, niet alleen het enige voorbeeld dat mensen eerder hebben gevonden."

Dit verhaal is gepubliceerd met dank aan de Harvard Gazette, De officiële krant van Harvard University. Voor aanvullend universiteitsnieuws, bezoek Harvard.edu.