p Nas décadas desde que foram teorizados pela primeira vez, cientistas sugeriram que as propriedades exóticas dos materiais topológicos - isto é, materiais que mantêm suas propriedades elétricas mesmo em face de mudanças radicais de temperatura ou deformação estrutural - poderiam resultar em tudo, desde eletrônicos mais eficientes em energia até o desenvolvimento de novos supercondutores e computadores quânticos. p O problema, Contudo, é que identificar os materiais com essas propriedades é frustrantemente difícil.

p Para acelerar o processo, O professor de física Ashvin Vishwanath e seus colegas conduziram uma série de estudos para desenvolver métodos para identificar com eficiência novos materiais que exibem propriedades topológicas.

p Os dois primeiros, publicado em Nature Communications e Avanços da Ciência , e em co-autoria com Hoi Chun "Adrian" Po do MIT, Ph.D. '18, e o professor Haruki Watanabe da Universidade de Tóquio, lançar as bases para unir os conceitos matemáticos abstratos relevantes com o problema pragmático da descoberta de materiais. O segundo, publicado em Natureza em fevereiro deste ano e em co-autoria com Po e Feng Tang e Xingang Wan, da Universidade de Nanjing, demonstra o poder da abordagem e prevê milhares de candidatos a materiais topológicos.

p "Nos primeiros dias, muito esforço foi focado em ser capaz de prever se um material seria isolante ou metálico, "Vishwanath disse." Cerca de 10 ou 20 anos atrás, no entanto, as pessoas perceberam que poderíamos produzir esses materiais topológicos. "

p Os materiais topológicos desafiam essa dicotomia simples. Por exemplo, eles podem ter um interior eletricamente isolante, que é envolto em uma fina película de metal. A presença deste revestimento metálico é protegida por topologia, um conceito matemático relacionado com propriedades que são robustas contra pequenas mudanças físicas do sistema. Em outras palavras, se você tentar descascar a pele metálica de um isolante topológico, a camada embaixo se tornará metálica repentinamente.

p "O conhecimento da matemática desses materiais exóticos nos ajudaria a encontrar materiais reais com essas propriedades topológicas, "Po disse." Agora, a maneira como as pessoas fazem isso é mais uma suposição ... o que queríamos fazer é encontrar maneiras eficientes de diagnosticar se os materiais em que você está interessado têm uma boa chance de ter propriedades topológicas. "

p O insight necessário fornece uma boa compreensão de como o comportamento dos elétrons está entrelaçado com as simetrias da estrutura cristalina de um material, que pode ser visto como um conjunto quase infinito de átomos reunidos em padrões delicados. Esses padrões geralmente permanecem inalterados se você inclinar a cabeça em 90 graus, ou refleti-los em um espelho. Em física, essa propriedade é conhecida como simetria. Nos primeiros dois artigos, Vishwanath e seus colaboradores realizaram um estudo sistemático sobre esse intrigante entrelaçamento entre elétrons e simetrias.

p "O primeiro problema é o grande número de maneiras pelas quais os átomos podem formar cristais, "disse ele." Mesmo se você esquecer a complexidade química, esqueça quais elementos estão lá, apenas na estrutura ... apenas por considerações de simetria, existem 230 maneiras pelas quais você pode colocar átomos juntos em cristais. "

p E a complexidade não termina aí. Quando o magnetismo é incorporado, o número aumenta dramaticamente, de 230 a 1, 651.

p Uma solução para o problema, Watanabe disse, seria simplesmente testar todas as combinações possíveis para chegar a uma solução eventual, mas isso não oferece nenhum insight sobre o que cria os estados topológicos que os pesquisadores procuram.

p "Adotamos uma abordagem diferente, "ele disse." A ideia principal era ... nós encontramos uma maneira eficiente de reformular o problema de forma que as propriedades de simetria dos elétrons sejam mapeadas para coordenadas em algum espaço de alta dimensão. "

p Essas coordenadas são como endereços, e a equipe foi capaz de dizer se um material era isolante, metálico, ou topológico com base em seu indicador de simetria - o análogo de um código postal.

p Mais importante, este "código postal" pode ser facilmente caracterizado. "Embora a análise de cada grupo espacial magnético levasse um dia para um aluno de pós-graduação descobrir, "Po disse, "nossa nova formulação permite uma automação simples da tarefa, que é concluído em um laptop para todos os 1, 651 ocorrências em meio dia. "

p O novo Natureza estudo baseia-se nas ideias delineadas nos trabalhos anteriores, aplicando-os para analisar bancos de dados de materiais existentes para a descoberta de candidatos a materiais topológicos. Trabalhando com colaboradores na China, Vishwanath disse, a equipe foi capaz de diagnosticar rapidamente as propriedades topológicas de dezenas de milhares de materiais usando indicadores de simetria.

p "De certa forma, é o estágio dois, "ele disse do Natureza estude. "Isso prova a utilidade dos indicadores de simetria."

p "Não é um almoço grátis completo, "disse ele." Não é que você olhe para o cristal e analise em detalhes o que os elétrons estão fazendo. Em vez, estamos olhando apenas para um aspecto muito pequeno de um sistema complicado, portanto, é um pouco como Sherlock Holmes - a partir de algumas poucas pistas, podemos realmente inferir muito sobre as características de um sistema. "

p A esperança, Vishwanath disse, é que esses estudos abrirão o caminho para o desenvolvimento de uma "biblioteca" de materiais topológicos que podem ser posteriormente caracterizados e potencialmente usados ​​para uma ampla variedade de aplicações.

p "Existem alguns materiais que devem ter propriedades topológicas, mas para o qual não temos um exemplo, "disse ele." Em outros casos, podemos ter apenas um tipo de estado topológico ... mas podemos querer outros, não apenas o exemplo que as pessoas encontraram antes. " p Esta história foi publicada como cortesia da Harvard Gazette, Jornal oficial da Universidade de Harvard. Para notícias adicionais da universidade, visite Harvard.edu.