原创金属所《Nature》子刊：盘算和数据驱动发现拓扑声子质料！ ...

雨乐雨欣

原标题：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，开创了凝结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范畴的三位美国物理学家，以表扬他们将拓扑引入到凝结态体系中的杰出理论贡献。通过与自旋电子体系的类比，拓扑概念被扩展到声子，促进了拓扑声子(topological phonics, TPs)的诞生。

克日，来自中科院金属所、中国科大、美国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法，来盘算和评估凌驾10,000种真实质料中的TPs。相干论文以题为“Computation and datadriven discovery of topological phononic materials”发表在Nature Communications上。

论文链接：

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

近十年来，拓扑概念，对凝结态物理和质料科学中的电子能带布局理论，产生了深远的影响。从理论上提出了数千种拓扑电子质料，此中一些颠末实行验证，如拓扑绝缘体、Dirac/Weyl半金属和节点线半金属等。与拓扑电子性子雷同，拓扑的关键定理和概念，可以引入声子范畴，称为拓扑声子(TPs)。特殊是固体质料中的TPs，也与一些特定的原子晶格振动相干，一样平常在太赫兹频率范围内，从而为研究各种与玻色子相干的准粒子，提供了丰富的平台。

近来，一些真实的质料被猜测为外尔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体现出双简并的外尔点，拓扑电荷为1。在FeSi型质料中，双外尔TPs得到了猜测和实行证明。在SiO2中，同时存在单、双外尔TPs。除了在倒易空间中，占据离散位置作为外尔点外，这些带交织点还可以一连形成节点线(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。由于拓扑掩护状态不受后向散射的影响，因此在非常热传输、声子波导等方面具有广阔的应用远景。除了原子晶体，拓扑声子在机器超质料、声学体系和麦克斯韦框架中，也得到了广泛研究。

在拓扑电子质料中，人们只必要关注费米能级附近的能量状态，而声子则差别，它体现出几种差别的特性。起首，泡利不相容原理没有限定。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泼。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必要对全部声子分支举行全频率分析。到现在为止，大规模辨认TP质料仍旧具有挑衅性，由于盘算声子带色散比盘算电子带布局要昂贵得多。因此，与近来在拓扑电子质料方面的工作相比，在高通量(HT)盘算方式下探求可行的TP质料固然更加困难。

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在此，研究者提出了一个高效和完全主动化的工作流程，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。研究者分析了差别质料中单外尔、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。在声子体系中，研究者猜测了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干净的、单一的i型外尔TPs。别的，研究者还发现差别范例的TPs可以在很多质料中共存(如ScZn)。研究者还讨论了TPs的潜伏应用和实行检测。

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的声子能带布局和外貌态。

图4 ScZn声子的能带布局和拓扑性子。

图5 TeO3的沙漏节点网TPs。

图6 差别范例TPs之间的关系表示图。

在此，研究者开辟了一种HT和数据驱动的方法，使用现有的声子数据库和内部盘算，评估凌驾了10,000种质料中的TPs。该筛选表明TP状态是广泛存在的，这突出了在各种质料中，实现TP以实现差别潜伏应用的广泛大概性。因此，使用这些已知的TP质料中的拓扑声子，可以实现很多引发征象，如拓扑超导和高热电效应等。（文：水生）

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