Три коллектива ученых провели систематический поиск топологических материалов, то есть веществ, обладающих необычными электронными свойствами, которые обеспечиваются фундаментальными законами сохранения. В результате оказалось, что более четверти известных веществ могут проявлять топологические свойства в той или иной степени. Два коллектива создали интерактивные онлайн-библиотеки соответствующих материалов.

Работы всех коллективов опубликованы в журнале Nature (1), (2), (3).

Топологические материалы обладают устойчивыми и нестандартными поверхностными электронными состояниями и электромагнитными свойствами. Примеры таких веществ — топологические изоляторы, которые являются проводниками на поверхности, но изоляторами в объеме. В данном случае так происходит за счет невозможности рассеяния электронов на дефектах решетки без изменения направления спина. Это обеспечивается топологией электронных состояний.

За пионерские работы в этой области была вручена Нобелевская премия по физике за 2016 год. В последние годы это направление привлекло значительный интерес различных групп исследователей, было открыто несколько сотен подобных веществ. Они интересны с точки зрения применений, так как устойчивы к возмущениям от примесей, дефектов и шумов.

В новых работах ученые решили выяснить, сколько всего в природе веществ с обусловленными топологией свойствами. Первая работа была посвящена применению метода индикаторов симметрии, которые позволили коллективу из США и Китая найти около 400 топологических изоляторов и примерно 700 потенциальных топологических полуметаллов.

Во второй работе международный коллектив ученых использовал похожий подход, названный авторами «топологической квантовой химией», для анализа 27000 веществ. Оказалось, что среди них около 3000 топологических изоляторов и примерно 4000 топологических полуметаллов.

В третьей работе исследователей из Китая описывается определение свойств примерно 39000 кристаллических веществ еще одним подобным способом. Авторы приходят к выводу, что более 8000 изученных структур проявляют топологические свойства. В целом около 27% веществ оказались обладателями таких свойств.

Авторы отмечают, что многие из материалов с выявленными топологическими свойствами могут проявлять их лишь в незначительной степени. Тем не менее ученые считают, что полученные каталоги будут полезны как для фундаментальных исследований, так и для создания практических устройств. Например, подобные базы данных позволяют найти подходящее соединение исследователям, которые хотят построить квантовый компьютер на основе сверхпроводников с топологическими свойствами.

«Когда был сделан анализ и скорректированы ошибки, результат оказался поразительным: более четверти всех исследуемых нами материалов проявляют некоторую степень топологичности. Топология оказалась повсеместной в мире веществ, а не экзотической, — говорит ведущий автор одной из работ Богдан Берневиг из Принстонского университета (США). — Полное завершение каталога ознаменует новую эру топологического проектирования материалов. Это начало нового типа периодической таблицы, в которой соединения и элементы выстроены согласно их топологическим свойствам, а не на основе более традиционных метрик».