南大科研團隊「漁網式搜索」揭秘近萬種拓撲材料

2020-12-07 人民網

使用對稱性指標搜索拓撲材料的算法流程圖

人民網北京2月28日電 日前，南京大學物理學院萬賢綱團隊對拓撲材料的研究，取得突破性搜索成果。該研究團隊系統地大規模搜索了整個材料資料庫，獲得了大量拓撲材料線索，並以此為基礎設立了拓撲材料基因庫。國際學術期刊《自然》正刊今日發布相關成果——《利用對稱性指標進行拓撲材料全面搜索》，受到全球學界關注。

「新穎材料的寶庫使物理學家興奮不已」

「研究人員首次系統地搜尋了整個材料資料庫，以尋找具有拓撲狀態的材料——這些奇異的物質相已經吸引了物理學家十年。由此發現的大量拓撲材料能使科學家更接近於這些奇異相的實際應用，這可能引發電子學等領域的革命。」去年，Nature期刊以「新穎材料的寶庫使物理學家興奮不已」為題，對南京大學的這項研究及其它兩項相關工作作了高度評價。

據了解，近年來，拓撲量子態是物理學和材料科學領域的前沿熱點課題。2016年諾貝爾物理學獎授予了三位科學家，以表彰他們發現物質拓撲相以及在拓撲相變方面作出的理論貢獻。隨著不斷有新的拓撲相出現，如量子自旋霍爾效應、拓撲絕緣體、Hourglass費米子、Nodal line半金屬、High order拓撲絕緣體等，人們發現，拓撲材料具有常規材料所沒有的奇特物性，在電子、信息和半導體技術等諸多方面有很大的應用潛力。

但對於這類奇特的拓撲材料，目前科學家主要是通過計算拓撲不變量尋找各種拓撲相，這種方法效率較低，所以已知的拓撲材料數目十分有限。因而，發展新的理論方法，高效尋找理想、有實用價值的拓撲材料體系，有著重要的科學價值和廣闊的應用前景。此次，萬賢綱教授團隊在搜索拓撲材料這個領域實現突破：基於對稱指標理論，發展了一套新的高效尋找拓撲材料的理論方法。

萬賢綱介紹，具體來說，是發展了一套非常高效的預測拓撲材料的方案：主體是基於第一性原理電子結構的自洽結果來計算布裡淵區高對稱點電子布洛赫本徵態的對稱性性質，通過計算在所謂的「原子絕緣體基組」上的展開係數，判斷材料是否是一個原子絕緣體，如果不是，又是如何偏離原子絕緣體（拓撲絕緣體，拓撲晶體絕緣體，拓撲半金屬三類）。

未來相關研究無需再「大海撈針」

「這樣高效的方案，很適合對晶體庫進行地毯式搜索，從而得到拓撲材料基因庫。」中國科學院院士、教育部「人工微結構科學與技術協同創新中心」主任邢定鈺評價稱，拓撲材料基因庫的逐漸形成，未來將給實驗物理學家帶來極大便利，將來的研究可以集中於基因庫中的材料，而不像此前那樣大海撈針。把此前人們找拓撲材料的方法跟他們提出的方法相比較，就如同用魚鉤釣魚和用漁網捕撈的差別。

萬賢綱介紹，他們的這一系列工作始於2017年8月，最開始的計劃是去找尋當時非常新穎的高階拓撲絕緣體。當時的思路是通過分析「原子絕緣體基組」有公因子為4時候對空間群裡面實空間對稱點以及其位群不可約表示的要求來進行「精準」的預測材料，這樣的工作物理上漂亮，但是效率相對也不算高。在2017年12月初，團隊根據當時研究前沿的進展，調整了思路，發展了高效的「地毯式」搜索拓撲材料的新算法。這一理論方法的文章於今年2月11日在Nature Physics上以《基於對稱性指標的高效拓撲材料搜索方案》為題在線發表。

據介紹，根據這一高效尋找拓撲材料的理論方法，萬賢綱團隊對所有非磁材料是否拓撲進行分類，發現近50% 的材料都是拓撲材料。進而，他們把計算預言的10897種拓撲材料(含費米能級附近有能帶交點的體系)的晶體結構信息及電子能帶放在特定網站上，供同行參考與研究。同時，他們還挑選了近一千個費米面比較乾淨或者能帶交點離費米面較近的體系，預言進一步的研究將很可能從中挖掘出適合實際應用的理想拓撲材料。

「他們文章中所給出的拓撲材料基因庫，有望帶來生機勃勃的後續實驗或者進一步理論探索。他們提出的高效的拓撲材料搜索方法也適合應用於其他體系，比如聲子系統、光子系統、磁性材料等。可以預期，大規模搜索與預測材料將成為材料科學的一種趨勢。它對於相關領域發展將有積極推動作用。」 邢定鈺院士表示。（李依環 齊琦 吳煜昊）

(責編：聞佳琪(實習生)、曹昆)

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