一天两篇Nature正刊！我国这个领域取得重要进展

点击上方「材料科学与工程」快速关注

材料类综合、全面、专业的微信平台

今天，在《Nature》正刊同期发表南京大学、中科院物理所、普林斯顿大学三个研究团队的相关工作，昭示出在拓扑新材料理论设计方面中国科研团队的优势地位。同样是通过计算能带高对称点的对称性数据从而得到材料的拓扑性质，方法和物理所研究小组采用的方法一致，三个研究组得到的结果也彼此相洽、相互印证。

1、《Nature》正刊刊登南京大学万贤纲团队研究成果：“渔网式搜索”揭秘近万种拓扑材料

如何寻找一种拓扑材料？以前，在各类材料库的大海里，一种“鱼竿”只能“钓”出一种拓扑材料，“愿者上钩”；现在，“一张大渔网”就可以一网打尽，效率大大提高。2月28日，国际学术期刊《自然》正刊以《利用对称性指标进行拓扑材料全面搜索》为题，发表了这一重要研究——南京大学物理学院万贤纲教授的科研团队及其哈佛大学合作者，系统地大规模搜索了整个材料数据库，获得大量拓扑材料线索，并以此为基础设立了拓扑材料基因库。

近年来，拓扑量子态是物理学和材料科学领域的前沿热点。2016年诺贝尔物理学奖授予了三位科学家，以表彰他们发现物质拓扑相以及在拓扑相变方面作出的理论贡献。随着新的拓扑相出现，人们发现，拓扑材料具有常规材料没有的奇特物性，在电子、信息和半导体技术等方面有很大潜力。

目前，科学家主要通过计算拓扑不变量寻找各种拓扑相，这种方法效率较低，所以已知的拓扑材料数目十分有限。因而，发展新的理论方法，高效寻找理想的、有实用价值的拓扑材料体系有着重要的科学价值和广阔的应用前景。万贤纲教授团队埋首钻研，终于在搜索拓扑材料这个领域实现突破：基于对称指标理论，发展了一套新的高效寻找拓扑材料的理论方法。

万贤纲介绍，具体来说，就是发展了一套非常高效的预测拓扑材料的方案。中国科学院院士、南京大学教授邢定钰表示，“这样高效的方案，很适合对晶体库进行地毯式搜索，从而得到拓扑材料基因库。”他认为，拓扑材料基因库将在未来给实验物理学家带来极大便利，将来的研究可以专注于基因库中的材料，而不必像以前那样“大海捞针”。

2、中国科学院物理研究所开发出一种新方法快速计算晶体材料的拓扑性

近日，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心的研究组发展出了一套自动计算材料拓扑性质的新方法，在近4万种材料中发现了8千余种拓扑材料，十几倍于过去十几年间人们找到的拓扑材料的总和，并据此建立了拓扑电子材料的在线数据库。国际学术刊物《自然》于今天在线发表了该成果，Zhang, T., et al. Catalogue of Topological Electronic Materials. Nature 566, 475 (2019)。

认识到电子的波函数可能具有某种特殊的拓扑结构，固然是物理理论的一大进展，但是跟我们的实际生活有多大联系呢？一般认为，拓扑材料的边界态具有“背散射通道禁闭”等特点，可以用来制作超低能耗的电子元件；有人在利用拓扑材料边界态电子的“动量-自旋锁合”的特点设计自旋电子器件；还有人设想利用拓扑超导体边界的“马约拉那零模式”来设计量子比特等等……因此，研究拓扑材料，或者说具有非零的拓扑不变量的材料，具有基础科学和应用技术的双重意义。

根据新的理论设计一套全自动判别拓扑材料并计算拓扑不变量的算法，然后用它来以全自动的方式寻找新的拓扑材料。这是难得一见的、可以取得突破性进展的机会，物理所的研究人员不可能放过。研究小组扫描了共计约40000种无机晶体材料，并发现其中约8000种是拓扑材料。由于计算的所有材料都是曾经在实验上合成过的，这也就意味着世界上存在着起码8000余种具有拓扑性质的实际材料——这与之前人们认为拓扑材料是特殊的和稀有的直觉大相径庭。用全自动算法得到的这8000余种材料，不仅包括了几乎所有前人用老方法在十几年间找到的拓扑材料，还包括了大量的新拓扑材料，这些材料的拓扑性质之前从未被研究过。

3、总结

从“拓扑电子材料目录”建立的过程我们可以看出，最后那“临门一脚”的三篇《自然》可能是关注度最高的，但对于深耕于领域的业内人士而言，从两年前“拓扑量子化学”和“对称性指标”这两篇论文出现的时候开始，此方向的研究范式已悄然改变，而在2017年底的“拓扑词典”出现之后，一种全自动计算拓扑性质的方法更是呼之欲出。也难怪最后会出现三路人马争相发表自己的“目录”了。“拓扑电子材料目录”的面世，代表了拓扑材料这一领域开始从“寻找新材料”转向“研究新材料”。这8000余种拓扑材料像是给物理学家、材料学家打开了无数的门，从每一扇门看过去，很多本以为熟悉的材料有了新的研究角度，而许多之前被忽视的材料也出现了新的闪光点。（材料科学与工程综合报道。资料来源：南京大学、中科院物理所、人民网）

推荐阅读：

我国首次发现新奇拓扑量子态！

首款国产量子计算机控制系统诞生

10款神器，告别SCI写作语言问题！ 

中国版Sci-Hub，还能下中文文献！ 

投稿、合作，点击此处

让更多人了解你的成果、产品！

投稿邮箱：mse_material@163.com

商务合作请联系：微信vae6791

或者QQ1248284077

长按识别，材料行业都在关注的公众号