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原题目:金属所《Nature》子刊:盘算和数据驱动发现拓扑声子质料!

拓扑量子态的发现,开创了凝聚态物理和质料科学的新篇章。2016年诺贝尔物理学奖授予了拓扑领域的三位美国物理学家,以表彰他们将拓扑引入到凝聚态系统中的卓越理论孝顺。通过与自旋电子系统的类比,拓扑看法被扩展到声子,促进了拓扑声子(topological phonics, TPs)的降生。

克日,来自中科院金属所、中国科大、美海内华达大学的等单元的研究者,提出了一种高通量筛选和数据驱动的方式,来盘算和评估跨越10,000种真实质料中的TPs。相关论文以题为“Computation and datadriven discovery of topological phononic materials”揭晓在Nature Communications上。

论文链接:

https://www.nature.com/articles/s41467-021-21293-2

近十年来,拓扑看法,对凝聚态物理和质料科学中的电子能带结构理论,发生了深远的影响。从理论上提出了数千种拓扑电子质料,其中一些经由实验验证,如拓扑绝缘体、Dirac/Weyl半金属和节点线半金属等。与拓扑电子性子类似,拓扑的要害定理和看法,可以引入声子领域,称为拓扑声子(TPs)。稀奇是固体质料中的TPs,也与一些特定的原子晶格振动相关,一样平常在太赫兹频率局限内,从而为研究种种与玻色子相关的准粒子,提供了厚实的平台。

最近,一些真实的质料被展望为外尔TPs、节点线TPs和节点环声子的载体。在非中央对称WC-型质料中,单外尔TPs显示出双简并的外尔点,拓扑电荷为1。在FeSi型质料中,双外尔TPs获得了展望和实验证实。在SiO2中,同时存在单、双外尔TPs。除了在倒易空间中,占有离散位置作为外尔点外,这些带交织点还可以延续形成节点线(如在MgB2和Rb2Sn2O3中)或节点环TPs(如在石墨烯、bcc C8和MoB2中)。多重临界物理征象的存在,如声子谷霍尔效应、声子量子反常类霍尔效应、多值自由度控制的声子量子自旋类霍尔效应等,有利于TPs的应用。由于拓扑珍爱状态不受后向散射的影响,因此在异常热传输、声子波导等方面具有广漠的应用远景。除了原子晶体,拓扑声子在机械超质料、声学系统和麦克斯韦框架中,也获得了普遍研究。

在拓扑电子质料中,人们只需要关注费米能级周围的能量状态,而声子则差异,它显示出几种差其余特征。首先,泡利不相容原理没有限制。其次,由于热引发,每个遵照玻色-爱因斯坦统计的声子模都可以变得现实活跃。第三,声子是带电的无自旋玻色子,不受电场和磁场的直接影响。因此,研究TPs需要对所有声子分支举行全频率剖析。到现在为止,大规模识别TP质料仍然具有挑战性,由于盘算声子带色散比盘算电子带结构要昂贵得多。因此,与最近在拓扑电子质料方面的事情相比,在高通量(HT)盘算方式下寻找可行的TP质料固然加倍难题。

在此,研究者提出了一个高效和完全自动化的事情流程,可以在大量固体质料中筛选TP交织点。研究者发现了5014种TP质料,并将其分为两大类:外尔和节点线(环)TPs。研究者说明晰差异质料中单外尔、高简并外尔、单个节点线(环)、节点链、节点链和节点网TPs的物理机制及其相互关系。在声子系统中,研究者展望了TeO3中的沙漏节点净TPs,以及半-赫斯勒LiCaAs中声学和光学分支之间的清洁的、单一的i型外尔TPs。此外,研究者还发现差异类型的TPs可以在许多质料 *** 存(如ScZn)。研究者还讨论了TPs的潜在应用和实验检测。

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图1 拓扑声子高通量盘算筛选的原理图。

图2 LiCaAs的声子色散和单外尔TPs。

图3高简并外尔TPs的声子能带结构和外面态。

图4 ScZn声子的能带结构和拓扑性子。

图5 TeO3的沙漏节点网TPs。

图6 差异类型TPs之间的关系示意图。

在此,研究者开发了一种HT和数据驱动的方式,行使现有的声子数据库和内部盘算,评估跨越了10,000种质料中的TPs。该筛选解释TP状态是普遍存在的,这突出了在种种质料中,实现TP以实现差异潜在应用的普遍可能性。因此,行使这些已知的TP质料中的拓扑声子,可以实现许多引发征象,如拓扑超导和高热电效应等。(文:水生)

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