拓扑物理学本来就很热门的领域可能即将爆发。研究人员第一次系统地遍历整个材料数据库，以寻找那些藏有拓扑状态的物质的“异质相”使物理学家着迷了十年。结果表明，成千上万的已知材料可能具有拓扑特性-也许占全部材料的24％。以前，研究人员仅了解数百种拓扑材料，而仅对大约十二种拓扑材料进行了详细研究。
西班牙圣塞瓦斯蒂安市nanoGUNE合作研究中心的实验物理学家雷耶斯·卡尔沃（Reyes Calvo）说：“这个数字震惊了。”
在7月下旬，几个小组发布了预印本1,2,3，详细说明了对数万种材料的扫描以及预测的拓扑分类，它们基于使用材料化学和对称性计算其性质的算法。两个团队已经将他们的算法集成到可搜索的数据库中。“ ououou可以输入一个复合名称，然后单击一下，即可获取是否存在拓扑。对我来说，这真是太好了，”德国德累斯顿马克斯·普朗克固体化学物理研究所的凝聚态物理学家钱德拉·谢哈尔说。
由此产生的大量拓扑材料可能使科学家们更接近为这些奇异相找到实际应用的可能性，这些奇异相具有革新电子学和催化学的潜力。洛桑瑞士联邦理工学院的物理学家奥列格·雅济耶夫（Oleg Yazyev）说：“我们知道的具有非同寻常性质的材料越多，突破的机会就越大。”
有组织的混乱
拓扑材料从其拓扑结构中得出其非同寻常的特征。在数学中，该分支研究具有空间特性的对象，这些对象在平滑变形且不会撕裂时保持不变。在材料中，拓扑结构不仅适用于固体物体的形状，还适用于其电子量子态的抽象描述的几何形状。它们的拓扑性质意味着这些状态具有抗更改性，因此对温度波动和物理失真稳定，这些特性可能使它们在设备中有用。
这些材料的电子特性也很不寻常，物理学家一直在研究一类称为拓扑绝缘体，因为该特性于2007年首次在2D碲化汞薄片中以2D形式被实验发现，而一年后在铋锑中以3D形式被发现5。 。拓扑绝缘子很奇怪，因为它们主要由绝缘材料组成，但其表面却是出色的导体。并且由于可以使用磁场来控制表面上的电流，物理学家认为它们可以在高能效的“荣品电子”设备中找到用处，该设备可以将信息编码为一种称为自旋的内在磁性。但是，尽管进行了十多年的研究，物理学家仍未找到一种具有适合设备使用的特性的拓扑绝缘体-例如，一种易于生长，无毒且在室温下具有可调电子态的材料。
新发布的目录使用去年发布的方法，通过拓扑将所有具有已知晶体结构的非磁性材料分类。到目前为止，物理学家在很大程度上一直依靠复杂的理论计算来预测特定材料是否应具有拓扑状态。但是在2017年，由新泽西州普林斯顿大学物理学家安德烈·伯恩维格（Andrei Bernevig）和马萨诸塞州剑桥市哈佛大学的阿什文·维什瓦纳特（Ashvin Vishwanath）领导的团队分别率先提出了方法6,7，极大地加快了搜索过程。他们根据材料的化学性质和结构对称性，使用算法将材料自动分类到数据库中。
对称性（可以在镜像轴，旋转轴或平移轴上发生）及其方向定义了电子可以在晶体结构的晶格中移动的位置和方式。因此，它们可以用于预测电子的行为方式，以及材料是否可能具有拓扑状态。
开放探索
应用伯尔尼维格原理，由北京凝聚态物理国家实验室的研究人员带领的一个团队对39,519种材料进行了扫描，发现了8,000多种可能具有拓扑状态。这包括拓扑绝缘体和拓扑半金属材料，在这些材料中，电子在某些条件下共同像无质量粒子一样起作用。后者允许研究新的量子现象，并且正在探索用作催化剂。团队数据库可供任何人访问，并且可以通过范围变量（例如组成元素或晶体中每个重复单元的大小）进行搜索。
Bernevig团队还应用了其方法来创建拓扑目录。他的团队使用了无机晶体结构数据库，发现了5797种“高质量”的拓扑材料。研究人员计划在流行的Bilbao Crystallographic Server中增加检查材料拓扑和某些相关功能的功能。第三组（包括Vishwanath）也发现了数百种拓扑材料，其中许多材料被认为很有希望。卡尔沃说：“作为一名实验学家，我感到非常激动。”他致力于堆叠具有拓扑特性的2D材料层，以制造下一代电子设备。
Yazyev说，当前的过程在某种程度上受到限制：它们可以应用于磁性材料，也可以应用于电子之间相互作用强烈的材料。其中一些材料可能还具有有用的拓扑性质，因此Vishwanath及其同事正在探索应用类似的基于对称性的方法来识别拓扑磁性材料的方法8。
现在，实验家的工作已经完成。研究人员将能够梳理数据库以找到新的拓扑材料进行探索。但是，直到在实验中对它们进行探测和测量之前，分配给每种材料的分类仍然仅仅是预测，Yazyev说。他说：“现在有大量的候选材料数据库，由实验者来发现新的令人兴奋的物理现象。”
并非每一种新的拓扑材料都会证明有趣。康涅狄格州耶鲁大学耶鲁大学的实验物理学家Judy Cha说，如果理论家可以将有关材料的其他实用信息（例如晶体中的缺陷如何影响电子流过）纳入数据库，那么它会更加有用。它;这将有助于将列表缩小到最实用。她说：“那真是太棒了。”
自然560，151-152（2018）
