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【人民網】中國科學家首次用新方法預測出大批拓撲材料
發布時間:2019-03-08文章来源: 人民网

人民网北京2月28日电(赵竹青)记者从中国科学院物理研究所获悉,该所一组科研团队开发出一种快速计算晶体材料的拓扑性质的新方法,并用此方法在近4万种材料中发现了8千余种拓扑材料,十几倍于过去十几年间人们找到的拓扑材料的总和,并据此建立了拓扑电子材料的在线数据库。成果于北京时间28日由国际权威學術期刊《自然》在线发表。

這一成果意義重大。它改變了拓撲量子材料這一研究方向的研究範式,將該方向的重點從“尋找新材料”推進到“研究新材料”。

拓撲量子材料被認爲將在超低功耗電子元件的研究和量子信息等領域起到重要基礎作用。因此,如何尋找更多的新拓撲材料也因此成爲了國際凝聚態物理領域的重要問題。此前,物理所已進行了一系列探索,並在拓撲絕緣體、量子反常霍爾效應、外爾半金屬等方面做出了重要貢獻。

团队的通讯作者之一、中科院物理所的方辰研究員介绍,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,就成为了寻找拓扑材料的重要的一环。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。

物理所團隊開發出了通過計算材料能帶的對稱性數據從而自動獲得其拓撲不變量的一套完整的、快速的、可以全自動運行的計算流程。在經過該流程之後,任何一種非磁性晶體材料都將獲得一個“拓撲標簽”,寫著它是否具有,以及具有哪些拓撲性質。

大批拓撲量子材料在理論上的發現,改變了拓撲量子材料這一研究方向的研究範式,並給未來的實驗研究提供了很多線索和機會。

物理所成果由该所方辰研究員、翁红明研究員、方忠研究員等人与中国科学院计算机网络信息中心联合完成。

所謂“英雄所見略同”,另有兩個研究小組,也于同一天同一刊物上發表了他們的獨立研究成果。其中一個小組是來自美國的普林斯頓大學、西班牙巴斯克大學和德國馬克斯-普朗克研究所的科學家,另一小組是來自南京大學和美國哈佛大學的科學家。他們兩個小組的工作內容,同樣是通過計算能帶高對稱點的對稱性數據從而得到材料的拓撲性質,方法和物理所研究小組采用的方法一致,三個研究組得到的結果也彼此相洽、相互印證。


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