在任何地方 90%的材料至少包含一个拓扑性质

5月23日电 如何才能让我们的电子产品更智能、更快捷、更灵活？答案是用拓扑材料来建造它们。最新一期《科学》杂志上发表的论文称，一个国际研究团队利用多台超级计算机绘制了超过9.6万种天然和合成晶体材料的电子结构图。他们应用复杂的过滤器来确定每个结构中是否存在拓扑特征以及存在什么拓扑特征。结果，他们发现90%的已知晶体结构包含至少一种拓扑特征，超过50%的天然材料表现出一些拓扑行为。

由西班牙多诺斯Tia国际物理中心和美国普林斯顿大学领导的国际研究小组发现，近90%的材料具有远离其固有电子数的拓扑电子态，即费米能级。虽然这些状态在许多实验探针中是休眠的，但仍然可以通过化学掺杂、静电门控、流体静压和光激发光谱直接获得。

发现2%的已知材料是“超拓扑”的，即紧键核心电子上方的每个电子带都是拓扑的。在被忽略的超拓扑材料中，铋是历史上被研究得最多的固体材料之一。

团队将新确定的材料编制成拓扑材料数据库，可以免费访问，类似于“拓扑周期表”。有了这个新的数据库，科学家可以快速搜索感兴趣的材料，找到它们可能具有的任何拓扑特征，并利用它们来构建超低功率晶体管、新型磁存储器和其他具有强大电子特性的设备。

研究人员检查了无机晶体结构数据库，其中包括自然界中发现的材料和实验室合成的材料。它也是目前世界上最大的材料数据库，包含超过193，000个晶体，相关的结构已经被绘制和表征。从高通量分析中，研究团队很快发现了大量的天然拓扑材料，这些材料不需要任何实验操作就可以表现出一些强大的电子行为。他们还发现，当暴露于特定条件下时，一些材料包含不止一种拓扑状态。

研究人员表示，“从新的角度重新审视之前的实验是令人惊叹的第一步，但我们可以期待更令人兴奋的未来，在拓扑材料数据库和拓扑量子化学的基础上，通过人类直觉和人工智能的结合，设计出具有高级功能的材料”。

数学无处不在，一切都可以是拓扑的。此前，理论物理学家指出，似乎所有的材料都有某种拓扑状态。当原本属于几何领域的拓扑概念进入物理世界，物质相变变得更加“聪明”和多样。这一次，研究人员利用超级计算机绘制了96000多种天然和合成晶体材料的电子结构图，筛选出了各种已知的拓扑相，为后人的研究树立了更清晰的路标。相当于告诉人们哪些材料有什么潜力，就看科研人员能否用合适的方法去挖掘或设计。正如研究人员所说，它可以让我们期待一个更加精彩的未来。