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上《Nature》正刊!南京大学团队“渔网式搜索”揭秘近万种拓扑材料

  在已知的浩瀚如星河的各类材料库中,从过去的“一种鱼竿(钩)”钓出一种拓扑材料,到如今的“一张大渔网”一网打尽,将是巨大的进步。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。

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  2月28日,这一研究成果以《Comprehensive search for topological materials using symmetry indicators》(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》正刊。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。该论文的合作作者是美国哈佛大学Ashvin Vishwanath教授和他的博士生Hoi Chun Po。

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  “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2018年8月8日以“Trove of exotic matter thrills physicists”(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高度评价。

  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、Nodal line半金属、镜面陈绝缘体、High order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,万贤纲教授团队埋首钻研,终于在搜索拓扑材料这个领域实现突破: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。

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  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)。

  记者就万贤纲教授团队的这一重要成果专门请教了该团队所属的教育部“人工微结构科学与技术协同创新中心”主任邢定钰院士。“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。”中国科学院院士南京大学邢定钰教授认为,“拓扑材料基因库的逐渐形成,未来将给实验物理学家带来极大便利,将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。把此前人们找拓扑材料的方法跟他们提出的方法相比较,就如同用鱼钩钓鱼和用渔网捕捞的差别。”

  万贤纲教授介绍,他们的这一系列工作始于2017年8月,最开始的计划是去找寻当时非常新颖的高阶拓扑绝缘体。当时的思路是通过分析“原子绝缘体基组”有公因子为4时候对空间群里面实空间对称点以及其位群不可约表示的要求来进行“精准”的预测材料,这样的工作物理上漂亮,但是效率相对也不算高。在2017年12月初,根据当时研究前沿的进展,调整了思路,发展了前面提及的高效的“地毯式”搜索拓扑材料的新算法。

  这一理论方法的文章于2019年2月11日在Nature Physics上以《Efficient topological materials discovery using symmetry indicators》(基于对称性指标的高效拓扑材料搜索方案)为题在线发表,并得到了《Physics World》的关注于2月16日以《Symmetry indicators unearth new topological materials》(对称性指标发现了新的拓扑材料)为题目作了新闻报道。

  据介绍,根据这一高效寻找拓扑材料的理论方法,万贤纲教授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。 

  “他们文章中所给出的拓扑材料基因库,有望带来生机勃勃的后续实验或者进一步理论探索。他们提出的高效的拓扑材料搜索方法也适合应用于其他体系,比如声子系统、光子系统、磁性材料等。可以预期,大规模搜索与预测材料将成为材料科学的一种趋势。它对于相关领域发展将有积极推动作用。” 邢定钰院士表示。

  据介绍,万贤纲教授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。其数值计算在其研究组的计算机以及中心的高性能计算集群上完成,中心的姚舸工程师协助进行大规模计算和建设拓扑材料网站。

  值得提及的是,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,昭示出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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