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南京大学万贤纲团队“渔网式搜索”揭秘近万种拓扑材料

2019-02-28 13:40:08 来源: 中国科技网 作者: 张晔 齐琦 吴煜昊

中国科技网南京2月28日电(记者张晔  通?#23545;?#40784;琦 吴煜昊)拓扑量子态是近年来物理学和材料科学领域的前沿热点课题,但是在浩瀚如星河的各类材料库中,如何寻找拓扑材料成为一个难题。2月28日,国际顶尖学术期刊《自然》刊发了南京大学万贤纲团队及其合作者的一项成果,他们系统地大规模搜索了整个材料数据库,获得了大量拓扑材料线索,并?#28304;?#20026;基础设立了拓扑材料基因库,实现了从过去的“一种鱼竿(?#24120;?#38035;出一种拓扑材料,到如今的“一张大渔网”一网打尽。

“研究人员首次系统地搜寻了整个材料数据库,以寻找具有拓扑状态的材料——这些奇异的物质相已经吸引?#23435;?#29702;学家十年。由此发现的大量拓扑材料能使科学家更接近于这些奇?#29020;?#30340;实际应用,这可能引发电子学等领域的革命。”Nature期刊2018年8月8日以“Trove of exotic matter thrills physicists”(新颖材料的宝库使物理学家兴奋不已)为题,提前对南京大学的这项成果,以及其它二项相关工作做了高度评价。

拓扑材料具有常规材料所没有的奇特物性,在电子、信息和半导体技术等诸多方面有很大的应?#20204;?#21147;。2016年诺贝尔物理学奖授予了三位科学家,?#21592;?#24432;他们发现物质拓扑相以及在拓扑相变方面作出的理论贡献。随着不断有新的拓扑相出现,如量子自旋霍尔效应、拓扑绝缘体、Weyl半金属、Dirac半金属、Hourglass费米子、Nodal line半金属、镜面陈绝缘体、High order拓扑绝缘体等。

但对于这类奇特的拓扑材料,目前科学家主要是通过?#25169;?#25299;扑不变量寻找各种拓扑相,这种方法效?#24335;系停?#25152;以已知的拓扑材料数目十分有限。因而,发展新的理论方法,高效寻找理想的、有实用价值的拓扑材料体系有着重要的科学价值和广阔的应用前景。

此次,万贤纲教授团队终于在搜索拓扑材料这个领域实现突破:基于对称指标理论,发展了一套新的高效寻找拓扑材料的理论方法。

据万贤纲介绍,具体来说,就是发展了一套非常高效的预测拓扑材料的方案:主体是基于第一性原理电子结构的自洽结果来?#25169;?#24067;里渊区高对?#39057;?#30005;子布洛赫本征态的对称性性质,通过?#25169;?#22312;所谓的“原子绝缘体基组”上的展开系数,判断材料是否是一个原子绝缘体,如果不是,又是如何偏离原子绝缘体(拓扑绝缘体,拓扑晶体绝缘体,拓扑半金属三类)。

据介绍,根据这一高效寻找拓扑材料的理论方法,万贤纲教授团队对所有非磁材料(见无机材料ICSD数据库)是否拓扑进行分类,发现近50% 的材料?#38469;?#25299;扑材料。进而,他?#21069;鴨扑?#39044;言的10897种拓扑材料(含费米能级附近有能带交点的体系)的晶体结构信息及电子能带放在https://ccmp.nju.edu.cn/网站上,供同行参考与研究。同时,他们还挑选了近一千个费米面比较干净或者能带交点离费米面较近的体系,预言进一步的研究将很可能从中挖掘出适合实际应用的理想拓扑材料。

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责任编辑:冷媚
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