Het vinden van de juiste ingrediënten om materialen met exotische kwantumeigenschappen te maken was een hersenschim voor experimentele wetenschappers, vanwege de eindeloze mogelijke combinaties van verschillende te synthetiseren elementen.

Van nu af aan kan de creatie van dergelijke materialen op een minder geblinddoekte manier verlopen dankzij een internationale samenwerking onder leiding van Andrei Bernevig, Ikerbasque gastprofessor aan het Donostia International Physics Centre (DIPC) en professor aan de Princeton University, en Nicolas Regnault, van de Princeton University en de Ecole Normale Supérieure Paris, CNRS, inclusief de deelname van Luis Elcoro van de Universiteit van Baskenland (UPV/EHU).

Het team ging systematisch op zoek naar potentiële kandidaten in een enorme hooiberg van 55.000 materialen. Het eliminatieproces begon met de identificatie van de zogenaamde platte bandmaterialen, dat wil zeggen elektronische toestanden met constante kinetische energie. Daarom wordt in een platte band het gedrag van de elektronen voornamelijk bepaald door de interacties met andere elektronen. Onderzoekers realiseerden zich echter dat vlakheid niet de enige vereiste is, omdat wanneer elektronen te strak aan de atomen zijn gebonden, zelfs in een platte band, ze niet in staat zijn om te bewegen en interessante toestanden van materie te creëren. "Je wilt dat elektronen elkaar zien, iets wat je kunt bereiken door ervoor te zorgen dat ze in de ruimte worden uitgebreid. Dat is precies wat topologische banden op tafel leggen", zegt Nicolas Regnault.

Topologie speelt een cruciale rol in de moderne fysica van de gecondenseerde materie, zoals gesuggereerd door de drie Nobelprijzen in 1985, 1997 en 2016. Het dwingt sommige kwantumgolffuncties uit te breiden, waardoor ze ongevoelig worden voor lokale verstoringen zoals onzuiverheden. Het kan een aantal fysieke eigenschappen, zoals een weerstand, opleggen die gekwantiseerd moeten worden of leiden tot perfect geleidende oppervlaktetoestanden.

Gelukkig heeft het team een ​​voortrekkersrol gespeeld bij het karakteriseren van topologische eigenschappen van banden door hun benadering die bekend staat als 'topologische kwantumchemie', waardoor ze een grote database met materialen hebben gekregen, evenals de theoretische hulpmiddelen om te zoeken naar topologische platte banden.

Door tools te gebruiken variërend van analytische methoden tot brute-force-zoekopdrachten, vond het team alle platte bandmaterialen die momenteel in de natuur bekend zijn. Deze catalogus van flatbandmaterialen is online beschikbaar met een eigen zoekmachine. "De gemeenschap kan nu zoeken naar platte topologische banden in materialen. We hebben van de 55.000 materialen ongeveer 700 gevonden die mogelijk interessante platte banden vertonen", zegt Yuanfeng Xu, van Princeton University en het Max Planck Institute of Microstructure Physics, een van de twee hoofdauteurs van het onderzoek. "We hebben ervoor gezorgd dat de materialen die we promoten veelbelovende kandidaten zijn voor chemische synthese", benadrukt Leslie Schoop van de scheikundeafdeling van Princeton. Het team heeft de topologische eigenschappen van deze banden verder geclassificeerd en ontdekt welk type gedelokaliseerde elektronen ze bevatten.

Nu deze grote catalogus is voltooid, zal het team beginnen met het kweken van de voorspelde materialen om experimenteel de mogelijke talloze nieuwe interactietoestanden te ontdekken. "Nu we weten waar we moeten zoeken, moeten we deze materialen kweken", zegt Claudia Felser van het Max Planck Institute for Chemical Physics of Solids. "We hebben een droomteam van experimentatoren die met ons samenwerken. Ze staan ​​te popelen om de fysieke eigenschappen van deze kandidaten te meten en te zien welke opwindende kwantumfenomenen zullen ontstaan."

De catalogus van platte banden, gepubliceerd in Nature op 30 maart 2022, vertegenwoordigt het einde van jarenlang onderzoek door het team. "Veel mensen, en veel subsidie-instellingen en universiteiten waaraan we het project hebben voorgelegd, zeiden dat dit te moeilijk was en nooit zou kunnen worden gedaan. Het kostte ons enkele jaren, maar het is ons gelukt", zegt Andrei Bernevig.

De publicatie van deze catalogus zal niet alleen de serendipiteit bij het zoeken naar nieuwe materialen verminderen, maar het zal ook grote zoektochten mogelijk maken naar verbindingen met exotische eigenschappen, zoals magnetisme en supergeleiding, met toepassingen in geheugenapparaten of in dissipatieloos transport over lange afstand van stroom. + Verder verkennen

Goed nieuws voor toekomstige technologie:exotische 'topologische' materialen komen verrassend vaak voor