中国科学家首次用新方法预测出大批具拓扑性质材料

2019-03-01 00:38 新华网

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新华网北京2月28日电 记者从中国科学院物理研究所获悉,由该所研究员组成的科研团队及南京大学物理学院相关科研团队,独立发展出快速计算晶体材料拓扑性质的新方法,并用各自的方法在晶体材料库中找到了数千种具有拓扑性质的新材料。这一成果改变了拓扑量子材料这一研究方向的研究范式,将该方向的重点从“寻找新材料”推进到“研究新材料”。两个独立团队的成果于北京时间2月28日由国际权威学术期刊《自然》在线发表。

作为中科院物理所团队的通讯作者之一,方辰研究员介绍,科学家们普遍认为拓扑量子材料将在超低功耗电子元件的研究和量子信息等领域起到重要基础作用,如何寻找更多的新拓扑材料因此成为国际凝聚态物理领域的重要问题。在此之前,中科院物理所已在拓扑绝缘体、量子反常霍尔效应、外尔半金属等方面做出了重要贡献。

据科研人员介绍,在实验中直接测量拓扑性质是困难的,因此首先用计算的方法预测材料的拓扑性质,就成为寻找拓扑材料的重要一环。然而,在过去的研究中,由于不变量的表达式十分繁难,这一计算往往需要深耕于该领域的专家耗费大量时间精力才能完成。“‘手动搜索’的局限性,使得人们难以预测绝大部分材料的拓扑性质。”方辰解释说。

在这种情况下,中科院物理所团队和南京大学物理学院团队独立研发出了通过计算材料能带的对称性数据从而自动获得其拓扑不变量的一套完整的、快速的、可以全自动运行的计算流程。在经过该流程之后,任何一种非磁性晶体材料都将获得一个“拓扑标签”,上面标注着它是否具有、以及具有哪些拓扑性质。

记者了解到,两个团队用此新算法在完整的晶体材料库内完成了地毯式搜索,在短短几个月内预测出几千种拓扑材料,这比前人在过去十年间找到的拓扑材料数目总和高出十几倍。目前,两个科研团队将各自的结果以网上数据库的形式呈现给国际学术界。

大批拓扑量子材料在理论上的发现,改变了拓扑量子材料这一研究方向的研究范式,将给未来的实验研究提供更多线索和机会。

责任编辑:贾玉静(QC0005)  作者:王莹