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南大科研团队“渔网式搜索”揭秘万种拓扑材料获Nature发布

来源:中国新闻网 2019-02-28 18:52:36
南大科研团队“渔网式搜索”揭秘万种拓扑材料获Nature发布
   《Nature》正刊2月28日刊登了万贤纲团队的相关论文。被采访人供图

  28日,南京大学物理学院万贤纲团队对拓扑材料的突破性搜索成果,以“Comprehensivesearchfortopologicalmaterialsusingsymmetryindicators”(利用对称性指标进行拓扑材料全面搜索)为题发表于国际顶尖学术期刊《自然》(《Nature》)正刊,受到全球学界关注。

使用对称性指标搜索拓扑材料的算法流程图。被采访人供图
使用对称性指标搜索拓扑材料的算法流程图。被采访人供图

  在已知的浩瀚如星河的各类材料库中,从过去的“一种鱼竿”钓出一种拓扑材料,到如今的“一张渔网”一网打尽,为人类对拓扑材料“黑洞”的了解又近了一步。近日,南京大学物理学院万贤纲教授的科研团队及其合作者,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,并以此为基础设立了拓扑材料基因库。

  该论文万贤纲为通讯作者,南京大学物理学院、南京微结构国家实验室的博士研究生唐峰为第一作者,合作作者为美国哈佛大学AshvinVishwanath教授和他的博士生HoiChunPo。

万贤纲(右)与团队成员在一起。被采访人供图
万贤纲(右)与团队成员在一起。被采访人供图

  “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了物理学家十年。由此发现的大量拓扑材料能使科学家更接近于这些奇异相的实际应用,这可能引发电子学等领域的革命。”Nature期刊早在2018年8月8日就以“Troveofexoticmatterthrillsphysicists”(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关注。

  近年来,拓扑量子态是物理学和材料科学领域的前沿热点课题。2016年诺贝尔物理学奖授予了三位科学家,以表彰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、Nodalline半金属、Highorder拓扑绝缘体等,人们发现,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用潜力。

  但对于这类奇特的拓扑材料,目前科学家主要是通过计算拓扑不变量寻找各种拓扑相,这种方法效率较低,所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,万贤纲团队在搜索拓扑材料领域实现的突破:是基于对称指标理论,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计算布里渊区高对称点电子布洛赫本征态的对称性性质,通过计算在所谓的“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)。

利用对称性指标(symmetry indicator)编织的渔网将晶体库 (图中的大海)中的拓扑材料(图中“拓扑”的鱼)一网打尽。被采访人供图
利用对称性指标(symmetry indicator)编织的渔网将晶体库 (图中的大海)中的拓扑材料(图中“拓扑”的鱼)一网打尽。被采访人供图

  教育部“人工微结构科学与技术协同创新中心”主任邢定钰院士认为,“这样高效的方案,很适合对晶体库进行地毯式搜索,从而得到拓扑材料基因库。”

  据介绍,根据这一高效寻找拓扑材料的理论方法,万贤纲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%的材料都是拓扑材料。进而,他们把计算预言的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。

  “拓扑材料基因库的逐渐形成,将给实验物理学家带来极大便利,未来的研究可以集中于基因库中的材料,而不像此前那样大海捞针。“邢定钰院士告诉记者,这一成果有望带来生机勃勃的后续实验或进一步理论探索。

  万贤纲科研团队的研究工作得到了教育部“人工微结构科学与技术协同创新中心”、南京大学卓越研究计划、固体微结构物理国家重点实验室、国家重点研发计划、国家自然科学基金的支持。

  在Nature同期发表的还有中科院物理所一个研究团队和普林斯顿大学一个研究团队的两个相关工作,显示了在拓扑新材料理论设计方面中国科研团队的优势地位。

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