Wat is er nodig om onze elektronica slimmer, sneller en veerkrachtiger te maken? Een idee is om ze te bouwen van materialen die topologisch zijn.

Topologie komt voort uit een tak van de wiskunde die vormen bestudeert die kunnen worden gemanipuleerd of vervormd zonder bepaalde kerneigenschappen te verliezen. Een donut is een bekend voorbeeld:als hij van rubber was gemaakt, zou een donut kunnen worden gedraaid en in een geheel nieuwe vorm worden geperst, zoals een koffiemok, met behoud van een belangrijke eigenschap, namelijk het middelste gat, dat de vorm aanneemt van het handvat van de beker. Het gat is in dit geval een topologische eigenschap, robuust tegen bepaalde vervormingen.

In de afgelopen jaren hebben wetenschappers topologieconcepten toegepast op de ontdekking van materialen met vergelijkbare robuuste elektronische eigenschappen. In 2007 voorspelden onderzoekers de eerste elektronische topologische isolatoren:materialen waarin elektronen zich gedragen op manieren die 'topologisch beschermd' zijn, of persistent zijn in het licht van bepaalde verstoringen.

Sindsdien hebben wetenschappers gezocht naar meer topologische materialen met als doel betere, robuustere elektronische apparaten te bouwen. Tot voor kort werden slechts een handvol van dergelijke materialen geïdentificeerd, en daarom werd aangenomen dat ze zeldzaam waren.

Nu hebben onderzoekers van het MIT en elders ontdekt dat topologische materialen in feite overal zijn, als je maar weet hoe je ze moet zoeken.

In een paper gepubliceerd in Science , meldt het team, onder leiding van Nicolas Regnault van Princeton University en de École Normale Supérieure Paris, dat de kracht van meerdere supercomputers is gebruikt om de elektronische structuur van meer dan 96.000 natuurlijke en synthetische kristallijne materialen in kaart te brengen. Ze pasten geavanceerde filters toe om te bepalen of en wat voor soort topologische kenmerken in elke structuur voorkomen.

Over het algemeen ontdekten ze dat 90 procent van alle bekende kristallijne structuren ten minste één topologische eigenschap bevat en dat meer dan 50 procent van alle natuurlijk voorkomende materialen een soort van topologisch gedrag vertoont.

"We ontdekten dat er een alomtegenwoordigheid is - topologie is overal", zegt Benjamin Wieder, de co-lead van het onderzoek en een postdoc bij de afdeling Natuurkunde van het MIT.

Het team heeft de nieuw geïdentificeerde materialen gecompileerd in een nieuwe, vrij toegankelijke database met topologische materialen die lijkt op een periodiek systeem van topologie. Met deze nieuwe bibliotheek kunnen wetenschappers snel interessante materialen doorzoeken op topologische eigenschappen die ze zouden kunnen hebben, en deze gebruiken om ultra-low-power transistors, nieuwe magnetische geheugenopslag en andere apparaten met robuuste elektronische eigenschappen te bouwen.

Het artikel omvat mede-hoofdauteur Maia Vergniory van de Vergniory van het Donostia International Physics Center, Luis Elcoro van de Universiteit van Baskenland, Stuart Parkin en Claudia Felser van het Max Planck Instituut, en Andrei Bernevig van de Universiteit van Princeton.

Voorbij intuïtie

De nieuwe studie werd ingegeven door de wens om de traditionele zoektocht naar topologische materialen te versnellen.

"De manier waarop de originele materialen werden gevonden, was door middel van chemische intuïtie", zegt Wieder. "Die aanpak had veel vroege successen. Maar omdat we theoretisch meer soorten topologische fasen voorspelden, leek intuïtie ons niet erg ver te brengen."

Wieder en zijn collega's gebruikten in plaats daarvan een efficiënte en systematische methode om tekenen van topologie, of robuust elektronisch gedrag, uit te roeien in alle bekende kristallijne structuren, ook bekend als anorganische vastestofmaterialen.

Voor hun studie keken de onderzoekers naar de Inorganic Crystal Structure Database, of ICSD, een opslagplaats waarin onderzoekers de atomaire en chemische structuren van kristallijne materialen die ze hebben bestudeerd, invoeren. De database bevat materialen die in de natuur zijn gevonden, maar ook materialen die in het laboratorium zijn gesynthetiseerd en gemanipuleerd. De ICSD is momenteel de grootste materialendatabase ter wereld, met meer dan 193.000 kristallen waarvan de structuren in kaart zijn gebracht en gekarakteriseerd.

Het team downloadde de volledige ICSD en na het opschonen van gegevens om structuren met beschadigde bestanden of onvolledige gegevens te verwijderen, bleven de onderzoekers achter met iets meer dan 96.000 verwerkbare structuren. Voor elk van deze structuren voerden ze een reeks berekeningen uit op basis van fundamentele kennis van de relatie tussen chemische bestanddelen, om een ​​kaart te maken van de elektronische structuur van het materiaal, ook wel bekend als de elektronenbandstructuur.

Het team was in staat om de gecompliceerde berekeningen voor elke structuur efficiënt uit te voeren met behulp van meerdere supercomputers, die ze vervolgens gebruikten om een ​​tweede reeks bewerkingen uit te voeren, dit keer om te screenen op verschillende bekende topologische fasen of aanhoudend elektrisch gedrag in elk kristalmateriaal.

"We zijn op zoek naar handtekeningen in de elektronische structuur waarin bepaalde robuuste verschijnselen in dit materiaal zouden moeten voorkomen", legt Wieder uit, wiens eerdere werk het verfijnen en uitbreiden van de screeningtechniek, bekend als topologische kwantumchemie, omvatte.

Uit hun high-throughput-analyse ontdekte het team snel een verrassend groot aantal materialen die van nature topologisch zijn, zonder enige experimentele manipulatie, evenals materialen die kunnen worden gemanipuleerd, bijvoorbeeld met licht of chemische doping, om een ​​soort robuust elektronisch gedrag. Ze ontdekten ook een handvol materialen die meer dan één topologische toestand bevatten bij blootstelling aan bepaalde omstandigheden.

"Topologische fasen van materie in 3D-vastestofmaterialen zijn voorgesteld als locaties voor het observeren en manipuleren van exotische effecten, waaronder de onderlinge omzetting van elektrische stroom en elektronenspin, de tafelmodelsimulatie van exotische theorieën uit de hoge-energiefysica, en zelfs onder de juiste omstandigheden, de opslag en manipulatie van kwantuminformatie", merkt Wieder op.

Voor experimentatoren die dergelijke effecten bestuderen, zegt Wieder dat de nieuwe database van het team nu een menagerie van nieuwe materialen onthult om te verkennen. + Verder verkennen

Vooruitgang en vooruitzichten in magnetische topologische materialen