無處不在 九成材料至少含一種拓撲特性

怎樣才能讓我們的電子產品更智能、更快、更有彈性？答案是用拓撲材料構建它們。據最近一期《科學》雜誌發表的一篇論文，一個國際研究團隊利用多台超級計算機，繪製了96000多種天然和合成晶體材料的電子結構圖。他們應用複雜過濾器來確定每個結構中是否存在以及存在什麼樣的拓撲特徵，結果發現90%的已知晶體結構都包含至少一種拓撲特性，超過50%的天然材料表現出某種拓撲行為。

由西班牙多諾斯蒂亞國際物理中心和美國普林斯頓大學領導的國際研究團隊發現，近90%的材料都擁有遠離其固有電子數的拓撲電子態，即費米能級。儘管這些狀態在許多實驗探針中處於休眠狀態，但它們仍然可通過化學摻雜、靜電門控、靜水壓力和光激發光譜等技術直接獲得。

研究發現，2%的已知材料是“超拓撲的”，即緊密結合的核心電子之上的每個電子帶都是拓撲的。在被忽視的超拓撲材料中，鉍是歷史上研究最充分的固態材料之一。

團隊將新確定的材料編譯成一個可免費訪問的拓撲材料數據庫，類似於“拓撲週期表”。有了這個新數據庫，科學家們可快速搜索感興趣的材料，尋找它們可能擁有的任何拓撲特性，並利用它們來構建超低功耗晶體管、新型磁存儲器和其他具有強大電子特性的設備。

研究人員查看了無機晶體結構數據庫，該數據庫包括在自然界中發現的材料，以及在實驗室中合成的材料，其也是目前世界上最大的材料數據庫，包含超過193000個晶體，相關結構已被繪製和表徵。從高通量分析中，研究團隊很快發現了大量自然拓撲材料，無需任何實驗操作，它們即可表現出某種強大的電子行為。他們還發現，少數材料在暴露於特定條件時包含一種以上的拓撲狀態。

研究人員表示，“以新的視角重新審視以前的實驗是驚人的第一步，但我們可以展望一個更令人興奮的未來，在拓撲材料數據庫和拓撲量子化學的基礎上，通過人類直覺和人工智能的結合，設計出具有先進功能的材料”。

【總編輯圈點】

數學無處不在，萬物皆可拓撲。此前，理論物理學家指出，看起來所有材料都存在某種拓撲態。當本來屬於幾何領域的拓撲概念進入物理世界，物質相變就更加“靈動”多樣。此次，科研人員用超級計算機繪製了96000多種天然和合成晶體材料的電子結構圖，篩選出了各種已知的拓撲相，給後人的研究，樹立了更加清晰的指引路牌。它相當於告訴人們，哪些材料具備哪些潛力，就看科研人員能否用合適的方法挖掘或者設計出來了。正如研究人員所説，它可以讓我們展望一個更令人興奮的未來。