Ist es topologisch? Eine neue Materialdatenbank hat die Antwort

Was braucht es, um unsere Elektronik intelligenter, schneller und widerstandsfähiger zu machen? Eine Idee ist, sie aus Materialien zu bauen, die topologisch sind.

Die Topologie stammt aus einem Zweig der Mathematik, der Formen untersucht, die manipuliert oder deformiert werden können, ohne bestimmte Kerneigenschaften zu verlieren. Ein Donut ist ein gängiges Beispiel: Wenn er aus Gummi wäre, könnte ein Donut in eine völlig neue Form gedreht und gepresst werden, wie z. B. eine Kaffeetasse, während er eine Schlüsseleigenschaft beibehält – nämlich sein zentrales Loch, das die Form von annimmt der Henkel der Tasse. Das Loch ist in diesem Fall ein topologisches Merkmal, das gegenüber bestimmten Verformungen robust ist.

In den letzten Jahren haben Wissenschaftler Konzepte der Topologie auf die Entdeckung von Materialien mit ähnlich robusten elektronischen Eigenschaften angewendet. Im Jahr 2007 sagten Forscher die ersten elektronischen topologischen Isolatoren voraus – Materialien, in denen sich Elektronen „topologisch geschützt“ verhalten oder angesichts bestimmter Störungen bestehen bleiben.

Seitdem suchen Wissenschaftler nach topologischen Materialien mit dem Ziel, bessere und robustere elektronische Geräte zu bauen. Bis vor kurzem wurden nur eine Handvoll solcher Materialien identifiziert und galten daher als Rarität.

Jetzt haben Forscher am MIT und anderswo entdeckt, dass topologische Materialien tatsächlich überall sind, wenn man weiß, wie man danach sucht.

In einer Veröffentlichung in Wissenschaft, berichtet das Team unter der Leitung von Nicolas Regnault von der Princeton University und der École Normale Supérieure Paris, wie es die Leistung mehrerer Supercomputer nutzt, um die elektronische Struktur von mehr als 96.000 natürlichen und synthetischen kristallinen Materialien abzubilden. Sie wendeten ausgeklügelte Filter an, um festzustellen, ob und welche Art von topologischen Merkmalen in jeder Struktur vorhanden sind.

Insgesamt fanden sie heraus, dass 90 Prozent aller bekannten kristallinen Strukturen mindestens eine topologische Eigenschaft aufweisen und mehr als 50 Prozent aller natürlich vorkommenden Materialien irgendeine Art von topologischem Verhalten aufweisen.

„Wir haben festgestellt, dass es eine Allgegenwart gibt – Topologie ist überall“, sagt Benjamin Wieder, Co-Leiter der Studie und Postdoc am Department of Physics des MIT.

Das Team hat die neu identifizierten Materialien zu einer neuen, frei zugänglichen Zusammenstellung zusammengestellt Topologische Materialdatenbank ähnlich einem Periodensystem der Topologie. Mit dieser neuen Bibliothek können Wissenschaftler interessante Materialien schnell nach möglichen topologischen Eigenschaften durchsuchen und sie nutzen, um Ultra-Low-Power-Transistoren, neue Magnetspeicher und andere Geräte mit robusten elektronischen Eigenschaften zu bauen.

An dem Artikel sind Co-Hauptautorin Maia Vergniory vom Vergniory des Donostia International Physics Center, Luis Elcoro von der Universität des Baskenlandes, Stuart Parkin und Claudia Felser vom Max-Planck-Institut sowie Andrei Bernevig von der Princeton University beteiligt.

Jenseits der Intuition

Die neue Studie wurde durch den Wunsch motiviert, die traditionelle Suche nach topologischen Materialien zu beschleunigen.

„Die Art und Weise, wie die ursprünglichen Materialien gefunden wurden, war durch chemische Intuition“, sagt Wieder. „Dieser Ansatz hatte viele frühe Erfolge. Aber da wir theoretisch mehr Arten von topologischen Phasen vorhersagten, schien es, als würde uns die Intuition nicht sehr weit bringen.“

Wieder und seine Kollegen nutzten stattdessen eine effiziente und systematische Methode, um Anzeichen von Topologie oder robustem elektronischem Verhalten in allen bekannten kristallinen Strukturen, auch bekannt als anorganische Festkörpermaterialien, aufzuspüren.

Für ihre Studie suchten die Forscher in der Inorganic Crystal Structure Database (ICSD), einem Archiv, in das Forscher die von ihnen untersuchten atomaren und chemischen Strukturen von kristallinen Materialien eingeben. Die Datenbank umfasst Materialien, die in der Natur gefunden wurden, sowie solche, die im Labor synthetisiert und manipuliert wurden. Die ICSD ist derzeit die größte Materialdatenbank der Welt und enthält über 193.000 Kristalle, deren Strukturen kartiert und charakterisiert wurden.

Das Team lud das gesamte ICSD herunter, und nach einer Datenbereinigung, um Strukturen mit beschädigten Dateien oder unvollständigen Daten auszusondern, blieben den Forschern etwas mehr als 96.000 verarbeitbare Strukturen. Für jede dieser Strukturen führten sie eine Reihe von Berechnungen auf der Grundlage grundlegender Kenntnisse über die Beziehung zwischen chemischen Bestandteilen durch, um eine Karte der elektronischen Struktur des Materials zu erstellen, die auch als Elektronenbandstruktur bekannt ist.

Das Team war in der Lage, die komplizierten Berechnungen für jede Struktur mit mehreren Supercomputern effizient durchzuführen, die sie dann einsetzten, um eine zweite Reihe von Operationen durchzuführen, diesmal um nach verschiedenen bekannten topologischen Phasen oder anhaltendem elektrischem Verhalten in jedem Kristallmaterial zu suchen.

„Wir suchen nach Signaturen in der elektronischen Struktur, bei denen bestimmte robuste Phänomene in diesem Material auftreten sollten“, erklärt Wieder, der in seiner früheren Arbeit die als topologische Quantenchemie bekannte Screening-Technik verfeinert und erweitert hat.

Bei ihrer Hochdurchsatzanalyse entdeckte das Team schnell eine überraschend große Anzahl von Materialien, die ohne experimentelle Manipulation von Natur aus topologisch sind, sowie Materialien, die manipuliert werden können, beispielsweise mit Licht oder chemischer Dotierung, um eine Art Robustheit zu zeigen elektronisches Verhalten. Sie entdeckten auch eine Handvoll Materialien, die mehr als einen topologischen Zustand enthielten, wenn sie bestimmten Bedingungen ausgesetzt waren.

„Topologische Phasen von Materie in 3D-Festkörpermaterialien wurden als Schauplätze für die Beobachtung und Manipulation exotischer Effekte vorgeschlagen, einschließlich der Umwandlung von elektrischem Strom und Elektronenspin, der Tabletop-Simulation exotischer Theorien aus der Hochenergiephysik und sogar unter der richtigen Bedingungen, die Speicherung und Manipulation von Quanteninformationen“, bemerkt Wieder.

Für Experimentatoren, die solche Effekte untersuchen, sagt Wieder, dass die neue Datenbank des Teams jetzt eine Menagerie neuer Materialien zum Erforschen offenbart.