Dans les décennies qui ont suivi leur première théorisation, les scientifiques ont suggéré que les propriétés exotiques des matériaux topologiques, c'est-à-dire des matériaux qui conservent leurs propriétés électriques même face à des changements de température radicaux ou à des déformations structurelles, pourraient tout aboutir, de l'électronique plus économe en énergie au développement de nouveaux supraconducteurs et ordinateurs quantiques.

Le problème, cependant, est que l'identification des matériaux avec ces propriétés est extrêmement difficile.

Pour accélérer le processus, Le professeur de physique Ashvin Vishwanath et ses collègues ont mené une série d'études pour développer des méthodes permettant d'identifier efficacement de nouveaux matériaux présentant des propriétés topologiques.

Les deux premiers, Publié dans Communication Nature et Avancées scientifiques , et co-écrit avec le boursier du MIT Hoi Chun "Adrian" Po, doctorat '18, et le professeur Haruki Watanabe de l'Université de Tokyo, jeter les bases pour faire le pont entre les concepts mathématiques abstraits pertinents et le problème pragmatique de la découverte de matériaux. La deuxième, Publié dans La nature en février et co-écrit avec Po et Feng Tang et Xingang Wan, de l'Université de Nankin, démontre la puissance de l'approche et prédit des milliers de candidats matériaux topologiques.

"Au début, beaucoup d'efforts ont été consacrés à pouvoir prédire si un matériau serait isolant ou métallique, " a déclaré Vishwanath. " Il y a environ 10 ou 20 ans, bien que, les gens ont réalisé que nous pouvions produire ces matériaux topologiques. »

Les matériaux topologiques défient cette simple dichotomie. Par exemple, ils peuvent avoir un intérieur électriquement isolant, qui est enveloppé dans une fine peau de métal. La présence de ce revêtement métallique est protégée par la topologie, un concept mathématique concernant les propriétés qui sont robustes contre de petits changements physiques du système. En d'autres termes, si vous essayez de décoller la peau métallique d'un isolant topologique, la couche en dessous deviendra soudainement métallique.

"Un aperçu des mathématiques de ces matériaux exotiques nous aiderait à trouver de vrais matériaux avec ces propriétés topologiques, " dit Po. " Tout de suite, la façon dont les gens font cela est vraiment plus une supposition… ce que nous voulions faire, c'est trouver des moyens efficaces de diagnostiquer si les matériaux qui vous intéressent ont de bonnes chances d'avoir des propriétés topologiques.

La perspicacité requise permet de bien comprendre comment le comportement des électrons est lié aux symétries de la structure cristalline d'un matériau, qui peut être considéré comme un ensemble presque infini d'atomes assemblés en motifs délicats. Ces motifs restent souvent inchangés si vous inclinez la tête de 90 degrés, ou les refléter dans un miroir. En physique, cette propriété est connue sous le nom de symétrie. Dans les deux premiers articles, Vishwanath et ses collaborateurs ont réalisé une étude systématique sur cet intriguant entrelacement entre les électrons et les symétries.

"Le premier problème est le grand nombre de façons dont les atomes peuvent former des cristaux, " dit-il. " Même si vous oubliez la complexité chimique, oublier quels éléments sont là-dedans, juste dans la structure… juste pour des considérations de symétrie, il y a 230 façons dont vous pouvez assembler des atomes en cristaux."

Et la complexité ne s'arrête pas là. Lorsque le magnétisme est incorporé, le nombre augmente considérablement, de 230 à 1, 651.

Une solution au problème, Watanabe a dit, serait simplement de tester toutes les combinaisons possibles pour arriver à une solution éventuelle, mais cela n'offre aucun aperçu de ce qui crée les états topologiques recherchés par les chercheurs.

"Nous avons adopté une approche différente, " a-t-il dit. " L'idée clé était … nous avons trouvé un moyen efficace de reformuler le problème de telle sorte que les propriétés de symétrie des électrons soient mappées sur des coordonnées dans un espace de grande dimension. "

Ces coordonnées sont comme des adresses, et l'équipe a pu dire si un matériau était isolant, métallique, ou topologique basé sur son indicateur de symétrie - l'analogue d'un code postal.

Surtout, ce "code postal" peut être facilement caractérisé. "Alors que l'analyse de chaque groupe d'espace magnétique aurait auparavant pris une journée à un étudiant diplômé, " Po dit, "notre nouvelle formulation permet une automatisation simple de la tâche, qui est complété sur un ordinateur portable pour tous 1, 651 instances en une demi-journée."

Le nouveau La nature l'étude s'appuie sur les idées exposées dans les travaux antérieurs, les appliquer pour analyser les bases de données de matériaux existantes pour la découverte de candidats matériaux topologiques. Travailler avec des collaborateurs en Chine, Vishwanath a dit, l'équipe a pu diagnostiquer rapidement les propriétés topologiques de dizaines de milliers de matériaux à l'aide d'indicateurs de symétrie.

"Dans un sens, c'est la deuxième étape, " a-t-il dit de la La nature étudier. "Cela prouve l'utilité des indicateurs de symétrie."

"Ce n'est pas un déjeuner gratuit complet, " dit-il. " Il ne s'agit pas de regarder le cristal et d'analyser en détail ce que font les électrons. Plutôt, nous n'examinons qu'un tout petit aspect d'un système compliqué, c'est donc un peu comme Sherlock Holmes - à partir de très peu d'indices, nous pouvons en déduire beaucoup sur les caractéristiques d'un système. "

L'espoir, Vishwanath a dit, est que ces études ouvriront la voie au développement d'une « bibliothèque » de matériaux topologiques qui pourront ensuite être davantage caractérisés et potentiellement utilisés pour une grande variété d'applications.

"Il y a des matériaux qui sont prédits pour avoir des propriétés topologiques, mais pour lequel nous n'avons pas d'exemple, " dit-il. " Dans d'autres cas, nous pouvons n'avoir qu'un seul type d'état topologique… mais nous pouvons vouloir en avoir d'autres, pas seulement le seul exemple que les gens ont trouvé auparavant."

Cette histoire est publiée avec l'aimable autorisation de la Harvard Gazette, Journal officiel de l'Université de Harvard. Pour des nouvelles universitaires supplémentaires, visitez Harvard.edu.