Nei decenni da quando furono teorizzati per la prima volta, gli scienziati hanno suggerito che le proprietà esotiche dei materiali topologici, cioè, materiali che mantengono le loro proprietà elettriche anche di fronte a cambiamenti di temperatura radicali o deformazioni strutturali, potrebbero portare a qualsiasi cosa, dall'elettronica più efficiente dal punto di vista energetico allo sviluppo di nuovi superconduttori e computer quantistici.

Il problema, però, è che identificare i materiali con quelle proprietà è frustrantemente difficile.

Per accelerare il processo, Il professore di fisica Ashvin Vishwanath ei suoi colleghi hanno condotto una serie di studi per sviluppare metodi per identificare in modo efficiente nuovi materiali che mostrano proprietà topologiche.

I primi due, pubblicato in Comunicazioni sulla natura e Progressi scientifici , e co-autore con il MIT Fellow Hoi Chun "Adrian" Po, dottorato di ricerca '18, e il professor Haruki Watanabe dell'Università di Tokyo, gettare le basi per collegare i concetti matematici astratti rilevanti con il problema pragmatico della scoperta dei materiali. Il secondo, pubblicato in Natura questo febbraio e co-autore con Po e Feng Tang e Xingang Wan, dell'Università di Nanchino, dimostra la potenza dell'approccio e prevede migliaia di candidati materiali topologici.

"Nei primi giorni, un grande sforzo è stato concentrato sulla capacità di prevedere se un materiale sarebbe stato un isolante o metallico, " Ha detto Vishwanath. "Circa 10 o 20 anni fa, anche se, le persone si sono rese conto che potevamo produrre questi materiali topologici".

I materiali topologici sfidano questa semplice dicotomia. Per esempio, possono avere un interno elettricamente isolante, che è avvolto in una sottile pelle di metallo. La presenza di questo rivestimento metallico è protetta dalla topologia, un concetto matematico che riguarda proprietà robuste contro piccoli cambiamenti fisici del sistema. In altre parole, se provi a staccare la pelle metallica di un isolante topologico, lo strato sottostante diventerà improvvisamente metallico.

"L'approfondimento della matematica di questi materiali esotici ci aiuterebbe a trovare materiali reali con queste proprietà topologiche, "Po ha detto. "In questo momento, il modo in cui le persone lo fanno è davvero più di una supposizione... quello che volevamo fare era trovare modi efficienti per diagnosticare se i materiali che ti interessano hanno buone possibilità di avere proprietà topologiche."

L'intuizione richiesta fornisce una buona comprensione di come il comportamento degli elettroni è intrecciato con le simmetrie della struttura cristallina di un materiale, che può essere visto come una serie quasi infinita di atomi assemblati in schemi delicati. Questi schemi spesso rimangono invariati se inclini la testa di 90 gradi, o rifletterli in uno specchio. In fisica questa proprietà è nota come simmetria. Nei primi due giornali, Vishwanath e i suoi collaboratori hanno condotto uno studio sistematico su questo intrigante intreccio tra elettroni e simmetrie.

"Il primo problema è l'enorme numero di modi in cui gli atomi possono formare cristalli, " disse. "Anche se dimentichi la complessità chimica, dimentica quali elementi ci sono dentro, proprio nella struttura... proprio da considerazioni di simmetria, ci sono 230 modi in cui puoi mettere insieme gli atomi in cristalli."

E la complessità non finisce qui. Quando il magnetismo è incorporato, il numero aumenta drammaticamente, da 230 a 1, 651.

Una soluzione al problema, Watanabe ha detto, sarebbe semplicemente testare ogni possibile combinazione per arrivare ad una eventuale soluzione, ma ciò non offre alcuna comprensione di ciò che crea gli stati topologici che i ricercatori cercano.

"Abbiamo adottato un approccio diverso, " ha detto. "L'idea chiave era ... abbiamo trovato un modo efficiente per riformulare il problema in modo tale che le proprietà di simmetria degli elettroni siano mappate su coordinate in uno spazio ad alta dimensione".

Queste coordinate sono come indirizzi, e il team è stato in grado di dire se un materiale era isolante, metallico, o topologico basato sul suo indicatore di simmetria, l'analogo di un codice postale.

È importante sottolineare che questo "codice postale" può essere facilmente caratterizzato. "Mentre l'analisi di ciascun gruppo spaziale magnetico avrebbe richiesto in precedenza a uno studente laureato un giorno per capire, "Po ha detto, "la nostra nuova formulazione consente una semplice automazione del compito, che è completato su un laptop per tutti 1, 651 istanze in mezza giornata."

Il nuovo Natura studio si basa sulle idee delineate nei lavori precedenti, applicandoli per analizzare database di materiali esistenti per la scoperta di materiali topologici candidati. Lavorando con i collaboratori in Cina, Vishwanath ha detto, il team è stato in grado di diagnosticare rapidamente le proprietà topologiche di decine di migliaia di materiali utilizzando indicatori di simmetria.

"In un modo, è la fase due, " ha detto del Natura studio. "Dimostra l'utilità degli indicatori di simmetria."

"Non è un pranzo completamente gratuito, " ha detto. "Non è che guardi il cristallo e analizzi in dettaglio cosa stanno facendo gli elettroni. Piuttosto, stiamo solo osservando un aspetto molto piccolo di un sistema complicato, quindi è un po' come Sherlock Holmes:da pochissimi indizi possiamo dedurre molto sulle caratteristiche di un sistema".

La speranza, Vishwanath ha detto, è che questi studi apriranno la strada allo sviluppo di una "libreria" di materiali topologici che possono poi essere ulteriormente caratterizzati e potenzialmente utilizzati per un'ampia varietà di applicazioni.

"Ci sono alcuni materiali che si prevede abbiano proprietà topologiche, ma per il quale non abbiamo un esempio, " ha detto. "In altri casi, potremmo avere solo un tipo di stato topologico... ma potremmo volerne altri, non solo l'unico esempio che le persone hanno trovato prima."

Questa storia è pubblicata per gentile concessione della Harvard Gazette, Il giornale ufficiale dell'Università di Harvard. Per ulteriori notizie universitarie, visita Harvard.edu.