Является ли он топологическим? Новая база данных материалов дает ответ

Что нужно сделать, чтобы наша электроника стала умнее, быстрее и надежнее? Одна из идей состоит в том, чтобы построить их из топологических ов.


Топология происходит от раздела математики, изучающего формы, которыми можно манипулировать или деформировать без потери определенных основных свойств. Типичным примером является пончик: если бы он был сделан из резины, пончик можно было бы скрутить и сжать, придав ему совершенно новую форму, например кофейную кружку, сохранив при этом ключевую особенность, а именно его центральное отверстие, которое принимает форму ручки чашки. Отверстие в данном случае является топологической чертой, устойчивой к определенным деформациям.

В последние годы ученые применили концепции топологии для открытия материалов с аналогичными устойчивыми электронными свойствами. В 2007 году исследователи предсказали появление первых электронных топологических изоляторов — материалов, в которых электроны ведут себя как «топологически защищенные» или устойчивые к определенным нарушениям.

С тех пор ученые искали больше топологических материалов с целью создания более качественных и надежных электронных устройств. До недавнего времени было идентифицировано лишь несколько таких материалов, и поэтому они считались редкостью.

Теперь исследователи из Массачусетского технологического института и других стран обнаружили, что на самом деле топологические материалы есть везде, если вы знаете, как их искать.

В статье, опубликованной в Наука, команда, возглавляемая Николя Рено из Принстонского университета и Высшей нормальной школы Парижа, сообщает об использовании мощности нескольких суперкомпьютеров для картирования электронной структуры более чем 96 000 природных и синтетических кристаллических материалов. Они применили сложные фильтры, чтобы определить, существуют ли и какие топологические признаки в каждой структуре.

В целом они обнаружили, что 90 процентов всех известных кристаллических структур обладают по крайней мере одним топологическим свойством, и более 50 процентов всех встречающихся в природе материалов демонстрируют какое-либо топологическое поведение.

«Мы обнаружили, что существует вездесущность — топология повсюду», — говорит Бенджамин Видер, соруководитель исследования и постдоктор кафедры физики Массачусетского технологического института.

Команда собрала недавно идентифицированные материалы в новую, свободно доступную базу данных топологических материалов, напоминающую периодическую таблицу топологии. С помощью этой новой библиотеки ученые могут быстро находить интересующие материалы по любым топологическим свойствам, которые они могут иметь, и использовать их для создания сверхмаломощных транзисторов, новых магнитных запоминающих устройств и других устройств с надежными электронными свойствами.