我們的電子產品要怎樣才能變得更智能、更快速、更有彈性？一個想法是用拓撲學材料來建造它們。拓撲學源於數學的一個分支，研究可以被操縱或變形而不會失去某些基本特性的形狀。

一個甜甜圈是一個常見的例子。如果它由橡膠製成，那麼一個甜甜圈可以被扭曲和擠壓成一個全新的形狀如一個咖啡杯，並同時又保留一個關鍵特徵–即它的中心孔，這裡指的是杯子手柄。在這種情況下，這個孔是一個拓撲特徵，對某些變形具有很強的抵抗力。

近年來，科學家們已經將拓撲學的概念應用於發現具有類似的強大電子特性的材料。2007年，研究人員預測了第一個電子拓撲絕緣體–其中電子的行為方式是“拓撲保護”。

自那時起，科學家們一直在尋找更多的拓撲材料，目的是為了建造更好、更有彈性的電子設備。直到最近，只有少數這樣的材料被發現，因此它們被認為是一種罕見的材料。

現在麻省理工學院(MIT)和其他地方的研究人員已經發現，事實上，拓撲材料無處不在。你只需要知道如何去尋找它們。

在於5月20日發表在《科學》上的一篇論文中，由普林斯頓大學和巴黎高等師範學院的Nicolas Regnault領導的團隊報告稱，他們利用多台超級計算機的力量繪製出了96000多種天然和合成晶體材料的電子結構。他們應用複雜的過濾器來確定每個結構中是否存在拓撲特徵及哪種拓撲特徵。

總體來說，他們發現所有已知的晶體結構中有90%至少包含一種拓撲特性，而所有自然發生的材料中有50%以上表現出某種拓撲行為。

這項研究的論文共同負責人、MIT物理系博士後Benjamin Wieder說道：“我們發現有一種普遍性–拓撲學無處不在。”

研究小組已將新確定的材料編入一個新的、可自由訪問的拓撲材料數據庫–類似於拓撲學的周期表。有了這個新的數據庫，科學家們可以快速搜索感興趣的材料、了解它們可能擁有的任何拓撲特性並利用它們來建造超低功率晶體管、新的磁性記憶存儲及其他具有強大電子特性的設備。

這篇論文的共同牽頭人哎包括多諾斯蒂亞國際物理中心的Maia Vergniory、巴斯克大學的Luis Elcoro、馬克斯普朗克研究所的Stuart Parkin和Claudia Felser及普林斯頓大學的Andrei Bernevig。

超越直覺

這項新研究的動機是加快對拓撲材料的傳統搜索。

“發現原始材料的方式是通過化學直覺。這種方法在早期有過很多成功的例子。但當我們從理論上預測出更多種類的拓撲相時，似乎直覺並沒有讓我們走得很遠，”Wieder說道。

Wieder和他的同事們轉而利用了一種高效和系統的方法，他們在所有已知的晶體結構–也稱為無機固態材料–中找出拓撲結構的跡象。

對於他們的研究，研究人員開始著眼於無機晶體結構數據庫(ICSD)。ICSD是一個儲存庫，研究人員將他們研究過的晶體材料的原子和化學結構輸入其中。該數據庫包括在自然界中發現的材料以及那些在實驗室中被合成和操縱的材料。ICSD是目前世界上最大的材料數據庫，包含超193,000種晶體，其結構已被繪製和表徵出來。

研究小組下載了整個ICSD，並在進行了一些數據清理以剔除文件損壞或數據不完整的結構後得到了96,000多個可處理的結構。對於這些結構中的每一個，他們根據化學成分之間關係的基本知識進行了一系列計算，以此來獲得材料的電子結構圖–也被稱為電子帶結構。

該小組使用多台超級計算機對每個機構進行了有效的複雜計算，然後他們利用這些計算機進行第二套操作，這次則是為了篩選各種已知的拓撲相。

Wieder指出：“我們正在尋找電子結構中的特徵，在這種材料中應該出現某些穩健的現象。”他以前的工作內容涉及到改進和擴大這種篩選技術，即所謂的拓撲量子化學。

研究團隊從他們的高通量分析中很快發現了大量令人驚訝的材料。這些材料都是自然拓撲的，它們不需要任何實驗操作及可以被操縱的材料。另外他們還發現了少數幾種材料，當它們暴露在某些條件下時可以發現一種以上的拓撲狀態。

Wieder表示，對於正在研究這種效應的實驗者來說，該團隊的新數據庫現在揭示了一個可供探索的新材料群。