如何尋找一種拓撲材料？以前，在各類材料庫的大海里，一種“魚竿”只能“釣”出一種拓撲材料，“愿者上鉤”；現(xiàn)在，“一張大漁網(wǎng)”就可以一網(wǎng)打盡，效率大大提高。2月28日，國際學術(shù)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(fā)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(tǒng)地大規(guī)模搜索了整個材料數(shù)據(jù)庫，獲得大量拓撲材料線索，并以此為基礎(chǔ)設(shè)立了拓撲材料基因庫。

近年來，拓撲量子態(tài)是物理學和材料科學領(lǐng)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(fā)現(xiàn)物質(zhì)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(xiàn)，人們發(fā)現(xiàn)，拓撲材料具有常規(guī)材料沒有的奇特物性，在電子、信息和半導體技術(shù)等方面有很大潛力。

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(shù)目十分有限。因而，發(fā)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(yīng)用前景。萬賢綱教授團隊埋首鉆研，終于在搜索拓撲材料這個領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)突破：基于對稱指標理論，發(fā)展了一套新的高效尋找拓撲材料的理論方法。

使用對稱性指標搜索拓撲材料的算法流程圖

萬賢綱介紹，具體來說，就是發(fā)展了一套非常高效的預(yù)測拓撲材料的方案。中國科學院院士、南京大學教授邢定鈺表示，“這樣高效的方案，很適合對晶體庫進行地毯式搜索，從而得到拓撲材料基因庫?！彼J為，拓撲材料基因庫將在未來給實驗物理學家?guī)順O大便利，將來的研究可以專注于基因庫中的材料，而不必像以前那樣“大海撈針”。

萬賢綱教授和博士生唐峰討論問題

據(jù)悉，萬賢綱教授團隊的一系列工作始于2017年8月，最開始計劃去找尋當時非常新穎的高階拓撲絕緣體。根據(jù)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(fā)現(xiàn)近50%的材料都是拓撲材料。

進而，他們把計算預(yù)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(jié)構(gòu)信息及電子能帶放在網(wǎng)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干凈或者能帶交點離費米面較近的體系，預(yù)言進一步的研究將很可能從中挖掘出適合實際應(yīng)用的理想拓撲材料。南京微結(jié)構(gòu)國家實驗室的博士研究生唐峰為第一作者。人工微結(jié)構(gòu)科學與技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心的姚舸工程師協(xié)助進行大規(guī)模計算和建設(shè)拓撲材料網(wǎng)站。

“文章中給出的拓撲材料基因庫，有望帶來生機勃勃的后續(xù)實驗或進一步理論探索。他們提出的高效拓撲材料搜索方法也適合其他體系，如聲子系統(tǒng)、光子系統(tǒng)、磁性材料等?？梢灶A(yù)期，大規(guī)模搜索與預(yù)測材料將成為凝聚態(tài)物理、材料科學的一種趨勢，對相關(guān)領(lǐng)域發(fā)展將有積極推動作用?！毙隙ㄢ暠硎?。

值得提及的是，在《自然》正刊同期發(fā)表的還有中科院物理所一個研究團隊和普林斯頓大學一個研究團隊的相關(guān)工作，昭示出在拓撲新材料理論設(shè)計方面中國科研團隊的優(yōu)勢地位。

Comprehensive search for topological materials using symmetry indicators. DOI: 10.1038/s41586-019-0937-5.