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科学家成立“拓扑电子质料目次”

2019-03-06 物理研究所

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克日,中国科学院物理研究所/北京凝结态物理国度研究中心的研究构成长出一套自动计较质料拓扑性质的新要领,在近4万种质料中发明白8千余种拓扑质料,十几倍于已往十几年间人们找到的拓扑质料的总和,并据此成立了拓扑电子质料的在线数据库。国际学术刊物《自然》在线颁发了该成就【1】。

  拓扑学是数学的重要分支,它的研究工具是在持续的形变下空间的稳定性。好比,一个物体上面有几多洞(是指贯串前后的洞,不是坑),这个洞的数目就是在持续形变下的一个稳定量。因为具有沟通的“洞数”(学名是“欧拉数”),一个有把儿的茶杯可以持续地酿成一个游泳圈,而不行以持续地酿成一个球。在上世纪80年月对量子霍尔效应态的研究中,人们认识到,就像几许形体一样,固体中电子的波函数也具有这样的“拓扑稳定量”,称为“陈数”(因数学家陈省身得名);对付量子霍尔效应态而言,陈数直接对应了量子化的霍尔电导。由于电子的波函数糊口在无穷维的希尔伯特空间,人们无法像欧拉数那样直观地去领略陈数,可是它们之间确实有一些共性。首先,它们都是分立取值的:无法想象有1.5个洞的形状,也不存在陈数为分数的电子波函数;再者,它们在持续形变下都是稳定的:量子化的霍尔电导对外界的扰动是如此不变,以至于可以用它来校准欧姆这个国际单元。

  对付电子波函数中的拓扑,上一次认识的奔腾呈此刻2005年前后。在一系列理论事情中,人们意识到,除了陈数之外,对称性可以带来新的拓扑稳定量。具有这些新的拓扑稳定量的绝缘体,厥后被称为“拓扑绝缘体”。拿几许形状做类比,假如说人们之前所领略的简朴绝缘体是一个球的话,拓扑绝缘体就是游泳圈(有一个洞)。而带给大家这个新的拓扑稳定量的对称性,是时间反演稳定性(时间反演稳定性等同于要求体系没有磁性,也没有外加磁场)。拓扑绝缘体被发明没多久,人们就意识到,“时间反演稳定机可以或许带来新的拓扑稳定量”这一事实,不外是一大类普遍现象的冰山一角:对付险些任何常见的对称性,大赢家棋牌,好比晶体中的平移、镜面反射、旋转……都有大概存在其对应的新的拓扑稳定量。寻找自然界中新的拓扑稳定量,以及具备这些拓扑稳定量的质料,是已往十几年中凝结态物理研究中的热点问题。

  认识到电子的波函数大概具有某种非凡的拓扑布局,当然是物理理论的一大希翼,可是跟实际糊口有多大接洽呢?一般认为,拓扑质料的界线态具有“背散射通道禁闭”等特点,可以用来建造超低能耗的电子元件;有人操作拓扑质料界线态电子的“动量-自旋锁合”的特点设计自旋电子器件;尚有人设想操作拓扑超导体界线的“马约拉那零模式”来设计量子比特……因此,研究拓扑质料,可能说具有非零的拓扑稳定量的质料,具有基本科学和应用技能的双重意义。

  要研究拓扑质料,第一步就是要将它们从浩如烟海的化合物中寻找出来。毕竟具有什么样的化学式,拥有哪样的晶体布局的质料,才会有非零的拓扑稳定量呢?这个问题恒久困扰着规模内的科学家。从道理上讲,拓扑稳定量的信息已经包括在了所有价带的电子波函数中,尔后者可以用第一性道理计较的要领获得。但在实际操纵中,由于某些拓扑稳定量的表达式很是繁难,此类计较需要具有深厚质料物理和拓扑物理学配景的专家,同时也会淹灭大量的时间。事实上,每一类新的拓扑质料的乐成预言,都在规模内引起遍及存眷。在“艰巨搜索”拓扑质料的进程中,大都科学家在直觉上认为拓扑性质在自然界中是稀有的,需要组成原子的外层电子轨道、晶体布局、自旋轨道耦合等因素的巧妙均衡。

  2017年,“拓扑量子化学”【2】和“对称性指标理论”【3】的提出,让人们看到了在上述“土法炼钢”要领之外寻找拓扑质料的大概性。这两项事情表白,关于一个能带系统的拓扑稳定量的信息,有一大部门其实已经蕴含于高对称动量点的价带电子波函数的对称性之中;尔后者——称之为能带的对称性数据,人们知道是可以通过全自动的要领计较获得的。按照这个理论,人们可以通过计较任何质料的对称性数据来判定它是否具有拓扑性质。这是计较预言拓扑质料要领的重大打破。