第一情报 ---材料工业

拓扑半金属的发展态势

供稿人:温一村  供稿时间:2019-5-31   关键字:拓扑材料  拓扑半金属材料  

从理论诞生到发展,拓扑领域仅用了短短十年左右时间就获得了空前的成功,理论和实验在拓扑领域得到几乎完美的符合更促进了拓扑领域的发展。每一种拓扑都会对应一种准粒子激发费米子或者波色子,而拓扑的形式定义可以用非平庸的能带交叉简并度或者交叉点附近费米面的拓扑特性来区分。如果该材料的交叉点在费米能上,那么我们称之为拓扑半金属;如果不在费米能上,我们称之为拓扑金属。由于拓扑半金属元激发在费米能上,所以其在输运中会具有更多独特的性能,包括独特的磁输运性质(如手性负磁阻、巨磁电阻)以及极高的载流子迁移率等特点,从而在未来低能耗电子学器件应用上具有重要价值,是国际凝聚态物理研究的前沿和热点研究方向之一。按照能带交叉点的简并情况,可以将拓扑半金属材料分为拓扑狄拉克半金属、外尔半金属和Node-Line半金属等。此外,近年来还出现了几种新型的拓扑半金属材料,如含有三重简并点的钨-碳型材料等,目前,已经有许多理论预测的拓扑半金属材料被成功地制备出来并得到验证。

目前,对于拓扑材料的研究已经形成了以理论计算为指引,对潜在的拓扑材料进行单晶制备,并结合物性测量对理论预言加以验证的科研合作方式。拓扑半金属也不例外,在拓扑半金属材料的研究过程中,理论研究一直处于领先位置,并且已经形成了由理论预测到材料单晶制备,再到角分辨光电子能谱仪验证以及电磁输运性质测量佐证的研究模式。

在理论计算中,物理学家们主要依赖复杂的理论计算来预测一种特定的物质是否具有拓扑状态。以前,人们只知道几百种拓扑材料,且只有十几种材料被详细研究过。但在2017年,两位科学家的研究成果极大地加速了这个搜索过程。他们利用算法完成了材料数据库自动分类,该数据库以材料化学成分和结构对称性为基础,具体包括镜面、旋转或平动轴对称性,因为对称性的方向可以决定电子在晶体结构的晶格中移动的位置和方式,因此其也可以用来预测电子的行为,以及材料是否可能具有拓扑状态。多家研究团队运用该算法分别对数万种材料进行了扫描,并对其是否会具有拓扑性质进行了预测。其中的两个团队已经将他们的算法集成到可搜索的数据库中,结果显示,数千种已知材料(占比高达24%)可能具有拓扑性质。这一结论让人吃惊,但同时值得注意的是,并非每种新的拓扑材料都值得关注,实验物理学家更为关注的是材料的其他实际信息(比如,晶体中的缺陷如何影响电子的流动)。

在材料单晶制备过程中,目前的难点在于:一是如何选取合适的助熔剂以及传输介质,二是如何设定反应的温度控制程序,通过仔细研究样品中各个元素的化学及物理特性,制定具有针对性的方案,能够提高单晶生长的效率。


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