新数据库揭示了9万多种拓扑材料

一个甜甜圈是一个常见的例子。如果它由橡胶制成，那么一个甜甜圈可以被扭曲和挤压成一个全新的形状如一个咖啡杯，并同时又保留一个关键特征--即它的中心孔，这里指的是杯子手柄。在这种情况下，这个孔是一个拓扑特征，对某些变形具有很强的抵抗力。

近年来，科学家们已经将拓扑学的概念应用于发现具有类似的强大电子特性的材料。2007年，研究人员预测了第一个电子拓扑绝缘体--其中电子的行为方式是“拓扑保护”。

自那时起，科学家们一直在寻找更多的拓扑材料，目的是为了建造更好、更有弹性的电子设备。直到最近，只有少数这样的材料被发现，因此它们被认为是一种罕见的材料。

现在麻省理工学院(MIT)和其他地方的研究人员已经发现，事实上，拓扑材料无处不在。你只需要知道如何去寻找它们。

在于5月20日发表在《科学》上的一篇论文中，由普林斯顿大学和巴黎高等师范学院的Nicolas Regnault领导的团队报告称，他们利用多台超级计算机的力量绘制出了96000多种天然和合成晶体材料的电子结构。他们应用复杂的过滤器来确定每个结构中是否存在拓扑特征及哪种拓扑特征。

总体来说，他们发现所有已知的晶体结构中有90%至少包含一种拓扑特性，而所有自然发生的材料中有50%以上表现出某种拓扑行为。

这项研究的论文共同负责人、MIT物理系博士后Benjamin Wieder说道：“我们发现有一种普遍性--拓扑学无处不在。”

研究小组已将新确定的材料编入一个新的、可自由访问的拓扑材料数据库--类似于拓扑学的周期表。有了这个新的数据库，科学家们可以快速搜索感兴趣的材料、了解它们可能拥有的任何拓扑特性并利用它们来建造超低功率晶体管、新的磁性记忆存储及其他具有强大电子特性的设备。

这篇论文的共同牵头人哎包括多诺斯蒂亚国际物理中心的Maia Vergniory、巴斯克大学的Luis Elcoro、马克斯普朗克研究所的Stuart Parkin和Claudia Felser及普林斯顿大学的Andrei Bernevig。

超越直觉

这项新研究的动机是加快对拓扑材料的传统搜索。

“发现原始材料的方式是通过化学直觉。这种方法在早期有过很多成功的例子。但当我们从理论上预测出更多种类的拓扑相时，似乎直觉并没有让我们走得很远，”Wieder说道。

Wieder和他的同事们转而利用了一种高效和系统的方法，他们在所有已知的晶体结构--也称为无机固态材料--中找出拓扑结构的迹象。

对于他们的研究，研究人员开始着眼于无机晶体结构数据库(ICSD)。ICSD是一个储存库，研究人员将他们研究过的晶体材料的原子和化学结构输入其中。该数据库包括在自然界中发现的材料以及那些在实验室中被合成和操纵的材料。ICSD是目前世界上最大的材料数据库，包含超193,000种晶体，其结构已被绘制和表征出来。

研究小组下载了整个ICSD，并在进行了一些数据清理以剔除文件损坏或数据不完整的结构后得到了96,000多个可处理的结构。对于这些结构中的每一个，他们根据化学成分之间关系的基本知识进行了一系列计算，以此来获得材料的电子结构图--也被称为电子带结构。

该小组使用多台超级计算机对每个机构进行了有效的复杂计算，然后他们利用这些计算机进行第二套操作，这次则是为了筛选各种已知的拓扑相。

Wieder指出：“我们正在寻找电子结构中的特征，在这种材料中应该出现某些稳健的现象。”他以前的工作内容涉及到改进和扩大这种筛选技术，即所谓的拓扑量子化学。

研究团队从他们的高通量分析中很快发现了大量令人惊讶的材料。这些材料都是自然拓扑的，它们不需要任何实验操作及可以被操纵的材料。另外他们还发现了少数几种材料，当它们暴露在某些条件下时可以发现一种以上的拓扑状态。

Wieder表示，对于正在研究这种效应的实验者来说，该团队的新数据库现在揭示了一个可供探索的新材料群。