已經很熱門的拓撲物理學領域可能即將爆發。研究人員首次系統地搜尋了整個材料資料庫，尋找具有拓撲態的材料——這種奇特的物質相吸引了物理學家十年之久。結果表明，數千種已知材料可能具有拓撲性質——或許高達所有材料的24%。此前，研究人員只知道數百種拓撲材料，而且只有大約十幾種進行了詳細研究。
西班牙聖塞瓦斯蒂安奈米技術合作研究中心的實驗物理學家雷耶斯·卡爾沃說：“這個數字讓我震驚。”
7月下旬，幾個研究小組釋出了預印本，詳細介紹了他們對數萬種材料的掃描以及他們預測的拓撲分類，這些分類基於使用材料的化學性質和對稱性來計算其屬性的演算法。兩個團隊已經將他們的演算法整合到可搜尋的資料庫中。“你可以輸入一種化合物的名稱，點選一下，就可以知道它是否具有拓撲性質。對我來說，這太棒了，”德國德累斯頓馬克斯·普朗克固體化學物理研究所的凝聚態物理學家錢德拉·謝卡說。
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拓撲材料的發現可能會使科學家更接近找到這些奇異相的實際應用——這些奇異相有可能徹底改變電子學和催化。“我們知道的具有不尋常性質的材料越多，取得突破的機會就越大，”瑞士洛桑聯邦理工學院的物理學家奧列格·亞茲耶夫說。
有組織的混沌
拓撲材料的獨特特徵源於它們的拓撲結構。在數學中，這個分支研究的是那些當它們被平滑變形而不是撕裂時，其空間屬性保持不變的物體。在材料中，拓撲結構不是指固體物體的形狀，而是指其電子量子態抽象描述的幾何形狀。它們的拓撲性質意味著這些狀態具有抗變化性，因此對溫度波動和物理變形穩定——這些特徵可以使它們在裝置中發揮作用。
這些材料的電子特性也很不尋常，自2008年首次在鉍銻晶體中進行實驗觀察以來，物理學家一直在研究一類被稱為拓撲絕緣體的材料。拓撲絕緣體很奇怪，因為它們主要由絕緣材料組成，但它們的表面卻是很好的導體。而且，由於可以使用磁場控制表面的電流，物理學家認為它們可以在節能的“自旋電子”裝置中找到用途，該裝置將資訊編碼為一種被稱為自旋的粒子的內在磁性。但是，儘管進行了十年的研究，物理學家尚未找到具有適用於裝置使用的特性的拓撲絕緣體——例如，一種易於生長、無毒且在室溫下具有可調電子態的材料。
新發布的目錄使用去年釋出的方法，按拓撲結構對所有具有已知晶體結構的非磁性材料進行分類。到目前為止，物理學家主要依靠複雜的理論計算來預測特定材料是否應具有拓撲態。但在2017年，由新澤西州普林斯頓大學的物理學家安德烈·貝爾內維格和馬薩諸塞州劍橋市哈佛大學的阿什文·維斯瓦納特領導的研究團隊分別率先提出了可以大大加快搜索過程的方法。他們使用演算法根據材料的化學性質和結構對稱性產生的特性，自動將材料分類到資料庫中。
對稱性——可以跨映象、旋轉或平移軸發生——及其方向定義了電子在晶體結構的晶格中可以移動的位置和方式。因此，它們可以用來預測電子的行為，從而預測材料是否可能具有拓撲態。
開放探索
應用貝爾內維格的原理，由北京凝聚態物理國家實驗室的研究人員領導的一個團隊掃描了39,519種材料，發現其中超過8,000種可能具有拓撲態。這包括拓撲絕緣體和拓撲半金屬——在這種材料中，電子在某些條件下像無質量粒子一樣集體行動。後者可以研究新的量子現象，並正在探索用作催化劑。該團隊的資料庫可供任何人訪問，並且可以透過一系列變數進行搜尋，例如元件元素或晶體中每個重複單元的大小。
貝爾內維格的團隊還應用其方法建立了一個拓撲目錄。他的團隊使用了無機晶體結構資料庫，發現了5,797種“高質量”的拓撲材料。研究人員計劃在流行的畢爾巴鄂晶體學伺服器中新增檢查材料拓撲結構以及某些相關特徵的功能。包括維斯瓦納特在內的第三個小組也發現了數百種拓撲材料，其中許多他們認為很有希望。“作為一名實驗主義者，我發現這非常令人興奮，”卡爾沃說，他致力於堆疊具有拓撲性質的二維材料層以製造下一代電子裝置。
目前的工藝在某種程度上是有限的：它們不能應用於磁性材料，也不能應用於電子之間相互作用強烈的材料，亞茲耶夫說。其中一些材料可能也具有有用的拓撲特性，因此維斯瓦納特和同事正在探索應用類似的基於對稱性的方法來識別拓撲磁性材料。
現在實驗主義者有他們的工作要做了。研究人員將能夠梳理資料庫，以找到新的拓撲材料進行探索。但是，在透過實驗進行探測和測量之前，分配給每種材料的分類仍然只是預測，亞茲耶夫說。“我們現在有一個大型的候選材料資料庫，這取決於實驗主義者來發現令人興奮的新物理現象，”他說。
並非每種新的拓撲材料都會被證明是有趣的。因此，康涅狄格州紐黑文市耶魯大學的實驗物理學家朱迪·查說，如果理論家可以將有關材料的其他實用資訊（例如晶體中的缺陷如何影響電子的流動）納入資料庫，將會更加有用。這將有助於將清單縮小到最實用的清單。“那將非常棒，”她說。
本文經許可轉載，並於2018年8月8日首次釋出。