最近，国际研究团队开发了一种创新技术，以确定晶体是否是拓扑绝缘体，并且还能估计合成新晶体所需的化学成分和晶体结构。研究结果已于2017年7月20日刊登于“自然”杂志上，并表明拓扑绝缘子在本质上比现在大大发生变化。

　　研究人员已经发现了如何识别具有独特和理想电子性质的拓扑材料的新方法。该技术涉及到描述固体中电子的能带理论与材料的拓扑性质之间的连接。在图像中，两个带之间的缺乏连接表明材料是拓扑绝缘体。图片来源：Image courtesy of Nature

　　拓扑材料引人入胜的电子特性使得它们能够被广泛应用于各种技术，因此它们在过去十年中引起了大量的实验和理论兴趣。这个兴趣引发了2016年诺贝尔物理学奖。材料的电子特性包括电流无阻力的潜力，并以非传统方式应对磁场和电场。
　　然而，迄今为止，新的拓扑材料主要通过试错法来寻找。在Nature中报道的新技术却能够识别出更广泛的新型有利拓扑绝缘子。这项研究似乎是拓扑材料物理性质方面的基本进步，并转变了拓扑特征被感知的方式。
　　普林斯顿大学团队包括，以及王志军博士后研究员和B.AndreiBernevig物理教授，Barry Bradlyn和Jennifer Cano都是普林斯顿理论科学中心的副研究员。该团队还包括毕尔巴鄂巴斯克大学的Luis Elcoro教授和MoisAroyo教授；来自巴斯克地区大学的助理教授Maia Garcia Vergniory和西班牙国际物理中心（DIPC）的Donostia教授，以及德国马克斯•普朗克固体化学物理研究所的Claudia Felser教授。
　　德国马克斯•普朗克固体化学物理研究所的Claudia Felser教授说道：“我们的方法是允许我们更容易找到拓扑材料的方法，可以避免详细冗杂的计算。”
　　Bradlyn进一步补充说道：“对于一些特殊的晶格，我们可以说，无论是绝缘体还是金属，拓扑都将会发生。”
　　研究团队指出，到目前为止，材料数据库中列出的大约20万种材料中只有几百种被认为具有拓扑性质。
　　普林斯顿理论科学中心副研究员Jennifer Cano说道：“这为该团队提出了问题：拓扑材料是真的很稀缺，还是仅仅反映了对固体了解的欠缺？”
　　为了回答这个问题，研究团队使用了有百年历史的固体能带理论，这被认为是量子力学领域早期的巨大成就。该理论首先由瑞士的物理学家Felix Bloch等人开发，并提出晶体中的电子占据特定的能量级别，称为频带。当电子占据一组频带中的所有状态时，它们不能移动，因此材料变成绝缘体。相反，如果某些状态保持未填充，则电子可以自由地从一个原子层移动到另一个原子层的位置上，因此该材料可以导电。
　　然而，晶体的对称特性造成了固体中电子的量子态的独特特征。这种状态可以被认为是通过它们的形状、能量和动量来识别的一组相互连接的带。能带之间的连接在图上看起来是相互缠绕的意大利面条，并导致拓扑行为，例如电子沿边缘或表面无阻力地穿过的能力。
　　为了探索各种未开发的潜在拓扑学材料，研究人员进行了系统的搜索。该技术涉及整合来自不同领域的各种工具，如物理，化学，材料科学和数学方面。
　　最初，研究人员确定了除了磁性晶体之外，在自然界中发生的所有可能的晶体图案或对称组的所有可能的原子位置，以及在电子轨道之外的所有可能的电子带结构。为了寻找拓扑带，研究人员最初开发了一种技术来概述所有允许的非拓扑带，认为从列表中省略的频带必须是拓扑的。研究人员从分组理论中应用工具，将自然界中可能发生的所有未来非拓扑带结构分类到不同的家族。
　　随后，研究人员使用图形理论，使用的数学分支的搜索引擎来确定网站之间的链接，并归结整个频带结构的允许连接模式。频带可以作为整体分离或连接。通过使用数学工具可以确定自然界中整个可能的带结构，拓扑以及非拓扑结构。然而，由于研究人员已经概述了非拓扑结构，他们可以确定拓扑带结构。
　　研究人员分析了各种晶体的连通性和对称性，并确定了许多晶体结构，由于它们的带宽连接，这些晶体结构中可能包括拓扑带。研究人员已经发布了有关非拓扑波段的全部数据以及毕尔巴鄂晶体服务器的波段连通性。Elcoro说：“使用这些工具，连同我们的数据结果，来自世界各地的研究人员可以快速确定感兴趣的材料是否可能是拓扑的。”
　　研究表明，化学对称性、物理学和拓扑结构都在获得材料深度知识方面发挥重要作用。据Bernevig说：“新理论将两个以前缺失的成分，带拓扑和轨道杂交嵌入到Bloch的理论中，为发现和表征具有拓扑性质的金属和绝缘体提供了一条有效的途径。”
　　罗格斯大学物理与天文学教授David Vanderbilt说道：“我们大多数人认为，在这个晶体空间中，拓扑学材料的可能很多年后才能被详尽的编目。这就是为什么Bradlyn和他的同事们的工作让人吃惊。他们已经开发了一套先进的原理和算法，使他们能够一目了然地构建这个目录。此外，他们将理论方法与材料数据库搜索方法结合起来，对大量新型拓扑绝缘材料进行具体预测。”
　　这种材料的理论基础由于在变形、拉伸或扭曲物体上保持不变的性质而被称为“拓扑”，最终导致将2016年诺贝尔物理学奖授予了普林斯顿大学的谢尔曼学院物理学教授F. Duncan M. Haldane，来自布朗大学的普林斯顿大学谢尔曼飞兆半导体大学物理教授J. Michael Kosterlitz和华盛顿大学的David J. Thouless。
　　物理和化学从不同视角描述了结晶材料，其中这种材料中的原子以规则有序的对称性图案存在。虽然化学家的焦点可能在原子及其周围的电子云或轨道上，但物理学家则专注于电子，这些电子具有在从一个原子移动到另一个原子的同时携带电流的能力，并通过其动量来描述。
　　王志军博士后研究员说道：“这是个简单的事实，电子的物理学通常以动量来描述，而电子的化学通常通过电子轨道来描述。这已经在这个领域留下了物质发现的机会。”
　　Vergniory说：“我们最开始应该更好地了解拓扑材料的化学性质，以了解为什么一些材料必须是拓扑的。”
　　Aroyo进一步表示：“然而，最终研究的成果非常有趣：一种结合化学、物理和数学的方式，为有百年历史的电子学理论中增加了最后缺失的成分，并且在今天的拓扑研究中材料得到了应用。”

　　来源：azom，材料科技在线