“漁網式搜索”中國科學家揭秘近萬種拓撲材料

如何尋找一種拓撲材料？以前，在各類材料庫的大海裡，一種“魚竿”只能“釣”出一種拓撲材料，“願者上鉤”；現在，“一張大漁網”就可以一網打盡，效率大大提高。

觀察者網3月1日從南京大學獲悉，日前，國際學術期刊《自然》正刊以《利用對稱性指標進行拓撲材料全面搜索》為題，發表了這一重要研究——南京大學物理學院萬賢綱教授的科研團隊及其哈佛大學合作者，系統地大規模搜索了整個材料數據庫，獲得大量拓撲材料線索，並以此為基礎設立了拓撲材料基因庫。

近年來，拓撲量子態是物理學和材料科學領域的前沿熱點。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。隨著新的拓撲相出現，人們發現，拓撲材料具有常規材料沒有的奇特物性，在電子、信息和半導體技術等方面有很大潛力。

據悉，目前科學家主要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，高效尋找理想的、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。萬賢綱教授團隊埋首鑽研，終於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。

據萬賢綱介紹，具體來說，就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征態的對稱性性質，通過計算在所謂的“原子絕緣體基組”上的展開系數，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）。

據介紹，根據這一高效尋找拓撲材料的理論方法，萬賢綱教授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網站上，供同行參考與研究。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。