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使用對(duì)稱性指標(biāo)搜索拓?fù)洳牧系乃惴鞒虉D

人民網(wǎng)北京2月28日電 日前，南京大學(xué)物理學(xué)院萬(wàn)賢綱團(tuán)隊(duì)對(duì)拓?fù)洳牧系难芯?，取得突破性搜索成果。該研究團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)地大規(guī)模搜索了整個(gè)材料數(shù)據(jù)庫(kù)，獲得了大量拓?fù)洳牧暇€索，并以此為基礎(chǔ)設(shè)立了拓?fù)洳牧匣驇?kù)。國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然》正刊今日發(fā)布相關(guān)成果——《利用對(duì)稱性指標(biāo)進(jìn)行拓?fù)洳牧先嫠阉鳌?，受到全球?qū)W界關(guān)注。

“新穎材料的寶庫(kù)使物理學(xué)家興奮不已”

“研究人員首次系統(tǒng)地搜尋了整個(gè)材料數(shù)據(jù)庫(kù)，以尋找具有拓?fù)錉顟B(tài)的材料——這些奇異的物質(zhì)相已經(jīng)吸引了物理學(xué)家十年。由此發(fā)現(xiàn)的大量拓?fù)洳牧夏苁箍茖W(xué)家更接近于這些奇異相的實(shí)際應(yīng)用，這可能引發(fā)電子學(xué)等領(lǐng)域的革命。”去年，Nature期刊以“新穎材料的寶庫(kù)使物理學(xué)家興奮不已”為題，對(duì)南京大學(xué)的這項(xiàng)研究及其它兩項(xiàng)相關(guān)工作作了高度評(píng)價(jià)。

據(jù)了解，近年來(lái)，拓?fù)淞孔討B(tài)是物理學(xué)和材料科學(xué)領(lǐng)域的前沿?zé)狳c(diǎn)課題。2016年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予了三位科學(xué)家，以表彰他們發(fā)現(xiàn)物質(zhì)拓?fù)湎嘁约霸谕負(fù)湎嘧兎矫孀鞒龅睦碚撠暙I(xiàn)。隨著不斷有新的拓?fù)湎喑霈F(xiàn)，如量子自旋霍爾效應(yīng)、拓?fù)浣^緣體、Hourglass費(fèi)米子、Nodal line半金屬、High order拓?fù)浣^緣體等，人們發(fā)現(xiàn)，拓?fù)洳牧暇哂谐Ｒ?guī)材料所沒(méi)有的奇特物性，在電子、信息和半導(dǎo)體技術(shù)等諸多方面有很大的應(yīng)用潛力。

但對(duì)于這類奇特的拓?fù)洳牧希壳翱茖W(xué)家主要是通過(guò)計(jì)算拓?fù)洳蛔兞繉ふ腋鞣N拓?fù)湎?，這種方法效率較低，所以已知的拓?fù)洳牧蠑?shù)目十分有限。因而，發(fā)展新的理論方法，高效尋找理想、有實(shí)用價(jià)值的拓?fù)洳牧象w系，有著重要的科學(xué)價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。此次，萬(wàn)賢綱教授團(tuán)隊(duì)在搜索拓?fù)洳牧线@個(gè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)突破：基于對(duì)稱指標(biāo)理論，發(fā)展了一套新的高效尋找拓?fù)洳牧系睦碚摲椒ā?/p>

萬(wàn)賢綱介紹，具體來(lái)說(shuō)，是發(fā)展了一套非常高效的預(yù)測(cè)拓?fù)洳牧系姆桨福褐黧w是基于第一性原理電子結(jié)構(gòu)的自洽結(jié)果來(lái)計(jì)算布里淵區(qū)高對(duì)稱點(diǎn)電子布洛赫本征態(tài)的對(duì)稱性性質(zhì)，通過(guò)計(jì)算在所謂的“原子絕緣體基組”上的展開(kāi)系數(shù)，判斷材料是否是一個(gè)原子絕緣體，如果不是，又是如何偏離原子絕緣體(拓?fù)浣^緣體，拓?fù)渚w絕緣體，拓?fù)浒虢饘偃?。

未來(lái)相關(guān)研究無(wú)需再“大海撈針”

“這樣高效的方案，很適合對(duì)晶體庫(kù)進(jìn)行地毯式搜索，從而得到拓?fù)洳牧匣驇?kù)。”中國(guó)科學(xué)院院士、教育部“人工微結(jié)構(gòu)科學(xué)與技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心”主任邢定鈺評(píng)價(jià)稱，拓?fù)洳牧匣驇?kù)的逐漸形成，未來(lái)將給實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家?guī)?lái)極大便利，將來(lái)的研究可以集中于基因庫(kù)中的材料，而不像此前那樣大海撈針。把此前人們找拓?fù)洳牧系姆椒ǜ麄兲岢龅姆椒ㄏ啾容^，就如同用魚(yú)鉤釣魚(yú)和用漁網(wǎng)捕撈的差別。

萬(wàn)賢綱介紹，他們的這一系列工作始于2017年8月，最開(kāi)始的計(jì)劃是去找尋當(dāng)時(shí)非常新穎的高階拓?fù)浣^緣體。當(dāng)時(shí)的思路是通過(guò)分析“原子絕緣體基組”有公因子為4時(shí)候?qū)臻g群里面實(shí)空間對(duì)稱點(diǎn)以及其位群不可約表示的要求來(lái)進(jìn)行“精準(zhǔn)”的預(yù)測(cè)材料，這樣的工作物理上漂亮，但是效率相對(duì)也不算高。在2017年12月初，團(tuán)隊(duì)根據(jù)當(dāng)時(shí)研究前沿的進(jìn)展，調(diào)整了思路，發(fā)展了高效的“地毯式”搜索拓?fù)洳牧系男滤惴?。這一理論方法的文章于今年2月11日在Nature Physics上以《基于對(duì)稱性指標(biāo)的高效拓?fù)洳牧纤阉鞣桨浮窞轭}在線發(fā)表。

據(jù)介紹，根據(jù)這一高效尋找拓?fù)洳牧系睦碚摲椒?，萬(wàn)賢綱團(tuán)隊(duì)對(duì)所有非磁材料是否拓?fù)溥M(jìn)行分類，發(fā)現(xiàn)近50% 的材料都是拓?fù)洳牧稀＿M(jìn)而，他們把計(jì)算預(yù)言的10897種拓?fù)洳牧?含費(fèi)米能級(jí)附近有能帶交點(diǎn)的體系)的晶體結(jié)構(gòu)信息及電子能帶放在特定網(wǎng)站上，供同行參考與研究。同時(shí)，他們還挑選了近一千個(gè)費(fèi)米面比較干凈或者能帶交點(diǎn)離費(fèi)米面較近的體系，預(yù)言進(jìn)一步的研究將很可能從中挖掘出適合實(shí)際應(yīng)用的理想拓?fù)洳牧稀?/p>

“他們文章中所給出的拓?fù)洳牧匣驇?kù)，有望帶來(lái)生機(jī)勃勃的后續(xù)實(shí)驗(yàn)或者進(jìn)一步理論探索。他們提出的高效的拓?fù)洳牧纤阉鞣椒ㄒ策m合應(yīng)用于其他體系，比如聲子系統(tǒng)、光子系統(tǒng)、磁性材料等?？梢灶A(yù)期，大規(guī)模搜索與預(yù)測(cè)材料將成為材料科學(xué)的一種趨勢(shì)。它對(duì)于相關(guān)領(lǐng)域發(fā)展將有積極推動(dòng)作用。” 邢定鈺院士表示。(李依環(huán) 齊琦 吳煜昊)