人们曾经认为，外部导电但内部绝缘的材料是不常见的。然而，德国德累斯顿马克斯·普朗克固体化学物理研究所的计算化学家Maia Vergniory及其同事最近证明了事实并非如此。他们发现了数以万计的此类拓扑绝缘体以及其他具有值得关注的拓扑特性的材料，并将这些结果创建成拓扑材料数据库。Vergniory对Margaret Harris讲述了她所在的团队如何进行这种搜索以及数据库对其领域的意义。
拓扑材料目录。由Maia Vergniory及其同事创建的拓扑材料数据库是一种可搜索的网站工具，包含9万多种已知拓扑材料。什么是拓扑材料？拓扑材料中最有趣的是拓扑绝缘体，它们的内部绝缘但表面导电。这类材料中的电子导电通道非常稳定，对实验中可能遇到的一些外部干扰不敏感，例如弱无序或温度波动，也不依赖于材料的尺寸。以上特性很有趣，因为这意味着这类材料具有恒定的电阻和电导率。
可对电流进行如此严格的控制对于许多应用都很有用。
能否举些拓扑绝缘体的例子？最著名的例子可能是砷化镓，它是一种二维半导体，常用于整数量子霍尔效应的实验中。在新一代拓扑绝缘体中，最著名的是硒化铋，但并未引起像砷化镓那样的广泛关注。为什么您和同事决定寻找新的拓扑材料？当时人们所知的拓扑材料很少，于是我们想到，如果能开发一种可以快速计算或判别拓扑的方法，我们就可以得知是否存在具有更优性质的拓扑材料。
您是如何着手寻找新的拓扑材料的？我们开发了一种基于材料晶体对称性的算法，这是以前没有考虑到的。在计算拓扑性质时，晶体的对称性非常重要，因为某些拓扑材料和某些拓扑相需要特定的对称性才能存在。我们发现有很多材料具有拓扑性质——多到数以万计。我们对这个数字感到惊讶。
您和同事构建的拓扑材料数据库被描述为“拓扑材料周期表”。是什么性质决定了它的结构？拓扑性质与电子电流有关，是材料的全局性质。此前物理学家没有考虑电子拓扑性质的原因之一，可能是因为他们非常关注局部属性，而不是全局属性。所以从这个意义上说，拓扑重要的属性与电荷在实空间的位置以及其定义方式有关。我们发现，如果知道材料的晶体对称性，就可以预测电荷的行为或流动方式。这也是我们如何对拓扑相进行分类的。
拓扑材料数据库如何工作？研究人员在使用它时会做什么？首先，他们输入材料的化学式。例如，如果您对食盐感兴趣，它的化学式为NaCl。因此，您将Na和Cl输入搜索栏，之后便可得知该材料所有的性质。使用起来非常简单。
您是说普通食盐是一种拓扑材料吗？这太神奇了。除了熟悉材料的拓扑特性让人们感到惊讶之外，您希望此数据库对这个领域产生什么影响？我希望它能帮助实验学家弄清楚他们应该生长哪些材料。现在我们已经分析了材料的全部特性，实验学家可以说，好吧，这个材料所处的电子输运态不好，但是如果我对它进行电子掺杂，那么我们将可以获得一个非常有趣的输运态。因此，从某种意义上说，我们希望它能帮助实验者找到好的材料。
由于可能与量子计算有关，最近拓扑材料引起了很多关注。这是你工作的动力吗？这是相关的，但每个领域都有不同的分支，我想说我们的工作处在一个不同的分支中。当然，你需要一个拓扑材料作为平台，随后才能使用任何可能的比特来开发拓扑量子计算机，所以我们所做的对此很重要。但是开发拓扑量子计算机将需要在材料设计方面做更多的工作，因为材料的尺寸起着重要作用。
我们目前研究的是三维材料，对于量子计算的平台来说，可能需要关注二维系统。
您和合作者的下一步研究计划是什么？我想研究有机材料。当前数据库的重点是无机材料，因为我们以无机晶体结构数据库为起点，但有机材料也很有趣。我还想研究更多的磁性材料，因为数据库中报告的磁性材料比非磁性材料少。最后，我还想看看具有手性对称的材料——也就是说，它们的结构有“左手手性”和“右手手性”两种。
您认为在有机材料或磁性材料中还会有数千种拓扑材料吗？我不知道。这取决于电子能带中带隙的大小。让我们拭目以待！