南大科研团队“渔网式搜索”揭秘近万种拓扑材料

　　使用对称性指标搜索拓扑材料的算法流程图

　　人民网北京2月28日电 日前，南京大学物理学院万贤纲团队对拓扑材料的研究，取得突破性搜索成果。该研究团队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。国际学术期刊《自然》正刊今日发布相关成果——《利用对称性指标进行拓扑材料全面搜索》，受到全球学界关注。

　　“新颖材料的宝库使物理学家兴奋不已”

　　“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。”去年，Nature期刊以“新颖材料的宝库使物理学家兴奋不已”为题，对南京大学的这项研究及其它两项相关工作作了高度评价。

　　据了解，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、Hourglass费米子、Nodal line半金属、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、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。

　　万贤纲介绍，具体来说，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)。

　　未来相关研究无需再“大海捞针”

　　“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、教育部“人工微结构科学与技术协同创新中心”主任邢定钰评价称，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，团队根据当时研究前沿的进展，调整了思路，发展了高效的“地毯式”搜索拓扑材料的新算法。这一理论方法的文章于今年2月11日在Nature Physics上以《基于对称性指标的高效拓扑材料搜索方案》为题在线发表。

　　据介绍，根据这一高效寻找拓扑材料的理论方法，万贤纲团队对所有非磁材料是否拓扑进行分类，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特定网站上，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。(李依环 齐琦 吴煜昊)