Apakah itu topologi? Basis data bahan baru memiliki jawabannya » Fisika MIT

Alat yang dapat dicari mengungkapkan lebih dari 90.000 materi yang diketahui dengan sifat elektronik yang tetap tidak terganggu saat menghadapi gangguan.

Apa yang diperlukan untuk membuat elektronik kita lebih pintar, lebih cepat, dan lebih tangguh? Salah satu ide adalah untuk membangun mereka dari bahan yang topologi.

Topologi berasal dari cabang matematika yang mempelajari bentuk yang dapat dimanipulasi atau berubah bentuk tanpa kehilangan sifat inti tertentu. Donat adalah contoh umum: Jika terbuat dari karet, donat dapat dipelintir dan diperas menjadi bentuk yang benar-benar baru, seperti cangkir kopi, sambil mempertahankan ciri utama — yaitu, lubang tengahnya, yang berbentuk pegangan cangkir. Lubang, dalam hal ini, adalah sifat topologi, kuat terhadap deformasi tertentu.

Dalam beberapa tahun terakhir, para ilmuwan telah menerapkan konsep topologi untuk penemuan bahan dengan sifat elektronik yang sama kuatnya. Pada tahun 2007, para peneliti memperkirakan isolator topologi elektronik pertama – bahan di mana elektron berperilaku dengan cara yang “dilindungi secara topologi,” atau persisten dalam menghadapi gangguan tertentu.

Sejak itu, para ilmuwan telah mencari lebih banyak bahan topologi dengan tujuan membangun perangkat elektronik yang lebih baik dan lebih kuat. Sampai saat ini, hanya segelintir bahan tersebut yang diidentifikasi, dan karena itu dianggap langka.

Sekarang para peneliti di MIT dan di tempat lain telah menemukan bahwa, pada kenyataannya, bahan topologi ada di mana-mana, jika Anda tahu cara mencarinya.

Dalam sebuah makalah yang diterbitkan hari ini di Sains, tim, yang dipimpin oleh Nicolas Regnault dari Universitas Princeton dan cole Normale Supérieure Paris, melaporkan pemanfaatan kekuatan beberapa superkomputer untuk memetakan struktur elektronik lebih dari 96.000 bahan kristal alami dan sintetis. Mereka menerapkan filter canggih untuk menentukan apakah dan jenis sifat topologi yang ada di setiap struktur.

BACA JUGA :  Zoë Marschner dan Charlotte Wickert bernama Cendekia Goldwater 2022-23 » MIT Physics

Secara keseluruhan, mereka menemukan bahwa 90 persen dari semua struktur kristal yang diketahui mengandung setidaknya satu sifat topologi, dan lebih dari 50 persen dari semua bahan alami menunjukkan semacam perilaku topologi.

“Kami menemukan ada di mana-mana – topologi ada di mana-mana,” kata Benjamin Wieder, pemimpin studi tersebut, dan seorang postdoc di Departemen Fisika MIT.

Tim telah menyusun bahan yang baru diidentifikasi ke dalam Basis Data Bahan Topologi baru yang dapat diakses secara bebas yang menyerupai tabel topologi periodik. Dengan perpustakaan baru ini, para ilmuwan dapat dengan cepat mencari bahan yang menarik untuk sifat topologi apa pun yang mungkin mereka miliki, dan memanfaatkannya untuk membangun transistor berdaya sangat rendah, penyimpanan memori magnetik baru, dan perangkat lain dengan sifat elektronik yang kuat.

Makalah ini termasuk penulis utama Maia Vergniory dari Vergniory dari Pusat Fisika Internasional Donostia, Luis Elcoro dari Universitas Basque Country, Stuart Parkin dan Claudia Felser dari Institut Max Planck, dan Andrei Bernevig dari Universitas Princeton.

Di luar intuisi

Studi baru dimotivasi oleh keinginan untuk mempercepat pencarian tradisional untuk bahan topologi.

“Cara bahan asli ditemukan adalah melalui intuisi kimia,” kata Wieder. “Pendekatan itu memiliki banyak keberhasilan awal. Tetapi karena kami secara teoritis memperkirakan lebih banyak jenis fase topologi, sepertinya intuisi tidak membawa kami terlalu jauh.

Wieder dan rekan-rekannya malah menggunakan metode yang efisien dan sistematis untuk menghilangkan tanda-tanda topologi, atau perilaku elektronik yang kuat, di semua struktur kristal yang dikenal, juga dikenal sebagai bahan solid-state anorganik.

Untuk studi mereka, para peneliti melihat ke Database Struktur Kristal Anorganik, atau ICSD, repositori di mana para peneliti memasukkan struktur atom dan kimia dari bahan kristal yang telah mereka pelajari. Basis data mencakup bahan-bahan yang ditemukan di alam, serta bahan-bahan yang telah disintesis dan dimanipulasi di laboratorium. ICSD saat ini merupakan database material terbesar di dunia, berisi lebih dari 193.000 kristal yang strukturnya telah dipetakan dan dikarakterisasi.

BACA JUGA :  Kawasan alami yang dilindungi di dunia terlalu kecil dan terisolasi untuk memberi manfaat bagi satwa liar – studi baru – Arahan Geografi

Tim mengunduh seluruh ICSD, dan setelah melakukan beberapa pembersihan data untuk menyingkirkan struktur dengan file yang rusak atau data yang tidak lengkap, para peneliti hanya memiliki lebih dari 96.000 struktur yang dapat diproses. Untuk masing-masing struktur ini, mereka melakukan serangkaian perhitungan berdasarkan pengetahuan dasar tentang hubungan antara konstituen kimia, untuk menghasilkan peta struktur elektronik material, yang juga dikenal sebagai struktur pita elektron.

Tim mampu secara efisien melakukan perhitungan rumit untuk setiap struktur menggunakan beberapa superkomputer, yang kemudian mereka gunakan untuk melakukan serangkaian operasi kedua, kali ini untuk menyaring berbagai fase topologi yang diketahui, atau perilaku listrik yang persisten di setiap bahan kristal.

“Kami sedang mencari tanda tangan dalam struktur elektronik di mana fenomena kuat tertentu harus terjadi dalam bahan ini,” jelas Wieder, yang pekerjaan sebelumnya melibatkan penyempurnaan dan perluasan teknik penyaringan, yang dikenal sebagai kimia kuantum topologi.

Dari analisis throughput tinggi mereka, tim dengan cepat menemukan sejumlah besar bahan yang secara alami topologi, tanpa manipulasi eksperimental, serta bahan yang dapat dimanipulasi, misalnya dengan doping ringan atau kimia, untuk menunjukkan semacam kekuatan yang kuat. perilaku elektronik. Mereka juga menemukan beberapa bahan yang mengandung lebih dari satu keadaan topologi ketika terkena kondisi tertentu.

Fase topologi materi dalam material solid-state 3D telah diusulkan sebagai tempat untuk mengamati dan memanipulasi efek eksotis, termasuk interkonversi arus listrik dan putaran elektron, simulasi meja teori eksotis dari fisika energi tinggi, dan bahkan, di bawah kondisi yang tepat, penyimpanan dan manipulasi informasi kuantum,” catat Wieder.

Untuk eksperimentalis yang mempelajari efek seperti itu, Wieder mengatakan database baru tim sekarang mengungkapkan kumpulan materi baru untuk dijelajahi.

BACA JUGA :  Frank Wilczek menerima Hadiah Templeton 2022 » MIT Physics

Penelitian ini didanai, sebagian, oleh Departemen Energi AS, National Science Foundation, dan Office of Naval Research.

Pencarian Berdasarkan Kata Kunci

An overview image of the main door of the apartment using a magnetic cardMain door of high-class apartmenturl:avatars mds yandex net/get-images-cbir/1685198/OyIZDcOnY0klYbaEs3UGlQ7264/orig

Leave a Reply

Your email address will not be published.