Международная группа ученых выяснила, что около 90% кристаллов являются топологическими материалами, хотя ранее существование таких веществ считалось очень редким. Также исследователи ввели понятие супертопологических материалов. Исследование опубликовано в журнале Science.
Топология — это раздел математики, который изучает пространства, остающиеся неизменными при деформации. Распространенным примером является бублик (или, по-научному, тороид). Его можно деформировать так, чтобы он принял форму чашки, при этом он сохранит свою топологическую черту — отверстие. В последние годы ученые стали применять концепты топологии к материалам, которые отличаются необычными электронными свойствами. В 2007 году исследователи предсказали первые электронные топологические изоляторы — материалы, в которых электроны «топологически защищены», то есть не теряют своих свойств даже при некоторых воздействиях. С тех пор ученые старались отыскать больше топологических материалов, так как их уникальные свойства могут быть полезны в физике высоких энергий, а также в разработке квантовых компьютеров. Но такие материалы считали редкими, экзотическими.
Вместо того чтобы воспользоваться «химической интуицией», ученые использовали ряд вычислительных методов для обнаружения топологических материалов. С помощью нескольких суперкомпьютеров они рассчитали электронную структуру более 96 тысяч кристаллов из Структурной базы данных неорганических кристаллов — крупнейшей базы данных о материалах в мире. Суммарно на расчеты ушло 25 млн часов. Результат удивил ученых: 90% кристаллов можно было назвать топологическими, причем более 50% природных кристаллических материалов проявляют топологические явления. Результаты работы исследователи оформили в виде базы данных топологических материалов.
Исследователи выяснили, что около 2% известных материалов можно назвать супертопологическими. Такими свойствами обладает висмут — один из наиболее хорошо изученных твердых материалов. Эти результаты заставили исследователей пересмотреть некоторые свои старые работы. Так, 4 года назад они исследовали кристаллы Bi2Mg3 и обнаружили на их поверхности необъяснимые «резонансы». Сейчас же ученым очевидно, что они наблюдали проявления топологических свойств.
«Вернуться к предыдущим экспериментам с новым подходом — захватывающая перспектива. Но нас ждет еще более захватывающее будущее. В нем продвинутые функциональные материалы можно будет разрабатывать с помощью союза человеческой интуиции и искусственного интеллекта, а фундаментом для этого станет база данных топологических материалов и топологическая квантовая химия», — рассказал Андрей Берневич из Принстонского университета.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
