高通量研究使拓撲學更具「磁性」：上百種磁性拓撲材料被發現

2020-10-30 科學大觀園雜誌


研究人員對一種理想的磁拓撲絕緣體NpBi的邊界態展開了研究。

研究人員可以利用完整的帶拓撲理論對非磁性晶體的電子結構進行分類。然而，磁性材料的類似分類法則仍然是一個謎，因此，目前發現的磁性拓撲材料數量非常有限。

《自然》雜誌當地時間10月28日發文稱，一個國際研究團隊首次對磁性拓撲材料進行了高通量研究，並由此發現了100多種新的磁性拓撲絕緣體和半金屬。

團隊研究人員來自德國馬克斯普朗克微觀結構物理學研究所（MPIMP）、固體化學物理學研究所（MPICPS）、西班牙巴斯克大學、多諾斯蒂亞國際物理學中心（DIPC）、法國科學研究中心（CNRS）和美國普林斯頓大學。

由於磁性晶體的複雜對稱性以及量子磁體建模、測量的實際困難，候選次拓撲材料相對匱乏。首先，雖然科學家能夠在已建立的晶體結構資料庫中對大量已知化合物進行篩選，但實際可用的磁性結構不過數百種。其次，非磁性結構只被劃分為230個空間群，而磁性材料的空間群多達1421個。

普林斯頓大學物理學教授B. Andrei Bernevig補充道：「除此之外，在所有的磁性系統中，我們還必須考慮電子-電子相互作用的影響。這使得磁拓撲材料的預測任務變得更加艱難。」

現在，研究團隊的新發現推動磁性拓撲材料研究向前邁出了一大步。巴斯克大學教授Luis Elcoro說：「我們對非磁性材料的帶結構有了更完整的理解。在拓撲量子化學（TQC）理論中，我們將材料的拓撲特徵與潛在化學性質聯繫起來，使非磁性拓撲材料的研究能以自動化方式進行。TQC代表了預測、表徵所有可能的帶結構晶體化學計量材料的通用框架。」

普林斯頓大學與麻省理工學院博士後研究員Benjamin Wieder說：「要在磁性材料研究中取得類似成績，就需要建立一種等同於TQC的理論。然而，因為有超過1000種磁對稱群需要加以考慮，僅憑『蠻力』解決問題可能會很棘手。」

幸運的是，團隊成員發現了克服難關的方法——他們將來自磁結構資料庫伺服器的初始數據輸入理論模型。在確定了潛在候選者之後，研究人員對549種磁結構進行了分析，確定了電子波函數的磁對稱性，然後對TQC進行「磁性擴展」，確定了哪些磁結構承載著非凡的電子帶拓撲。最終，研究人員確定了其中130多種磁性拓撲材料。

下一步，他們計劃通過實驗對材料的拓撲特性一一進行驗證。

原創編譯：雷鑫宇 審稿：西莫 責編：陳之涵

期刊來源：《自然》

期刊編號：0028-0836

原文連結：https://phys.org/news/2020-10-topology-magnetic-topological-materials.html

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