中国科学家首次用新方法预测出大批拓扑材料

从中国科学院物理研究所获悉，该所一组科研团队开发出一种快速计算晶体材料的拓扑性质的新方法，并用此方法在近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。这一成果意义重大。它改变了拓扑量子材料这一研究方向的研究范式，将该方向的重点从“寻找新材料”推进到“研究新材料”。

拓扑量子材料被认为将在超低功耗电子元件的研究和量子信息等领域起到重要基础作用。因此，如何寻找更多的新拓扑材料也因此成为了国际凝聚态物理领域的重要问题。此前，物理所已进行了一系列探索，并在拓扑绝缘体、量子反常霍尔效应、外尔半金属等方面做出了重要贡献。

团队的通信作者之一、中科院物理所的方辰研究员介绍，在实验中直接测量拓扑性质是困难的，因此首先用计算的方法预测材料的拓扑性质，就成为了寻找拓扑材料的重要的一环。然而，在过去的研究中，由于不变量的表达式十分繁难，这一计算往往需要深耕于该领域的专家耗费大量时间精力才能完成。“手动搜索”的局限性，使人们难以预测绝大部分材料的拓扑性质。

物理所团队开发出了通过计算材料能带的对称性数据从而自动获得其拓扑不变量的一套完整的、快速的、可以全自动运行的计算流程。在经过该流程之后，任何一种非磁性晶体材料都将获得一个“拓扑标签”，写着它是否具有，以及具有哪些拓扑性质。

大批拓扑量子材料在理论上的发现，改变了拓扑量子材料这一研究方向的研究范式，并给未来的实验研究提供了很多线索和机会。

物理所成果由该所方辰研究员、翁红明研究员、方忠研究员等人与中国科学院计算机网络信息中心联合完成。其中一个小组是来自美国的普林斯顿大学、西班牙巴斯克大学和德国马克斯-普朗克研究所的科学家，另一小组是来自南京大学和美国哈佛大学的科学家。他们两个小组的工作内容，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。