已经很热门的拓扑物理学领域可能即将爆发。研究人员首次系统地搜索了整个材料数据库，寻找具有拓扑态的材料——这种奇特的物质相吸引了物理学家十年之久。结果表明，数千种已知材料可能具有拓扑性质——或许高达所有材料的24%。此前，研究人员只知道数百种拓扑材料，而且只有大约十几种进行了详细研究。
西班牙圣塞瓦斯蒂安纳米技术合作研究中心的实验物理学家雷耶斯·卡尔沃说：“这个数字让我震惊。”
7月下旬，几个研究小组发布了预印本，详细介绍了他们对数万种材料的扫描以及他们预测的拓扑分类，这些分类基于使用材料的化学性质和对称性来计算其属性的算法。两个团队已经将他们的算法集成到可搜索的数据库中。“你可以输入一种化合物的名称，点击一下，就可以知道它是否具有拓扑性质。对我来说，这太棒了，”德国德累斯顿马克斯·普朗克固体化学物理研究所的凝聚态物理学家钱德拉·谢卡说。
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拓扑材料的发现可能会使科学家更接近找到这些奇异相的实际应用——这些奇异相有可能彻底改变电子学和催化。“我们知道的具有不寻常性质的材料越多，取得突破的机会就越大，”瑞士洛桑联邦理工学院的物理学家奥列格·亚兹耶夫说。
有组织的混沌
拓扑材料的独特特征源于它们的拓扑结构。在数学中，这个分支研究的是那些当它们被平滑变形而不是撕裂时，其空间属性保持不变的物体。在材料中，拓扑结构不是指固体物体的形状，而是指其电子量子态抽象描述的几何形状。它们的拓扑性质意味着这些状态具有抗变化性，因此对温度波动和物理变形稳定——这些特征可以使它们在设备中发挥作用。
这些材料的电子特性也很不寻常，自2008年首次在铋锑晶体中进行实验观察以来，物理学家一直在研究一类被称为拓扑绝缘体的材料。拓扑绝缘体很奇怪，因为它们主要由绝缘材料组成，但它们的表面却是很好的导体。而且，由于可以使用磁场控制表面的电流，物理学家认为它们可以在节能的“自旋电子”设备中找到用途，该设备将信息编码为一种被称为自旋的粒子的内在磁性。但是，尽管进行了十年的研究，物理学家尚未找到具有适用于设备使用的特性的拓扑绝缘体——例如，一种易于生长、无毒且在室温下具有可调电子态的材料。
新发布的目录使用去年发布的方法，按拓扑结构对所有具有已知晶体结构的非磁性材料进行分类。到目前为止，物理学家主要依靠复杂的理论计算来预测特定材料是否应具有拓扑态。但在2017年，由新泽西州普林斯顿大学的物理学家安德烈·贝尔内维格和马萨诸塞州剑桥市哈佛大学的阿什文·维斯瓦纳特领导的研究团队分别率先提出了可以大大加快搜索过程的方法。他们使用算法根据材料的化学性质和结构对称性产生的特性，自动将材料分类到数据库中。
对称性——可以跨镜像、旋转或平移轴发生——及其方向定义了电子在晶体结构的晶格中可以移动的位置和方式。因此，它们可以用来预测电子的行为，从而预测材料是否可能具有拓扑态。
开放探索
应用贝尔内维格的原理，由北京凝聚态物理国家实验室的研究人员领导的一个团队扫描了39,519种材料，发现其中超过8,000种可能具有拓扑态。这包括拓扑绝缘体和拓扑半金属——在这种材料中，电子在某些条件下像无质量粒子一样集体行动。后者可以研究新的量子现象，并正在探索用作催化剂。该团队的数据库可供任何人访问，并且可以通过一系列变量进行搜索，例如组件元素或晶体中每个重复单元的大小。
贝尔内维格的团队还应用其方法创建了一个拓扑目录。他的团队使用了无机晶体结构数据库，发现了5,797种“高质量”的拓扑材料。研究人员计划在流行的毕尔巴鄂晶体学服务器中添加检查材料拓扑结构以及某些相关特征的功能。包括维斯瓦纳特在内的第三个小组也发现了数百种拓扑材料，其中许多他们认为很有希望。“作为一名实验主义者，我发现这非常令人兴奋，”卡尔沃说，他致力于堆叠具有拓扑性质的二维材料层以制造下一代电子设备。
目前的工艺在某种程度上是有限的：它们不能应用于磁性材料，也不能应用于电子之间相互作用强烈的材料，亚兹耶夫说。其中一些材料可能也具有有用的拓扑特性，因此维斯瓦纳特和同事正在探索应用类似的基于对称性的方法来识别拓扑磁性材料。
现在实验主义者有他们的工作要做了。研究人员将能够梳理数据库，以找到新的拓扑材料进行探索。但是，在通过实验进行探测和测量之前，分配给每种材料的分类仍然只是预测，亚兹耶夫说。“我们现在有一个大型的候选材料数据库，这取决于实验主义者来发现令人兴奋的新物理现象，”他说。
并非每种新的拓扑材料都会被证明是有趣的。因此，康涅狄格州纽黑文市耶鲁大学的实验物理学家朱迪·查说，如果理论家可以将有关材料的其他实用信息（例如晶体中的缺陷如何影响电子的流动）纳入数据库，将会更加有用。这将有助于将清单缩小到最实用的清单。“那将非常棒，”她说。
本文经许可转载，并于2018年8月8日首次发布。