Topološka baza podataka više od 90.000 materijala s postojanim elektroničkim svojstvima

Pokazalo se da 90 posto svih poznatih kristalnih struktura sadrži barem jedno topološko svojstvo, a više od 50 posto svih prirodnih materijala pokazuje neku vrstu topološkog ponašanja

Mladen Smrekar ponedjeljak, 23. svibnja 2022. u 10:56

Otkako su 2007. istraživači predvidjeli prve elektroničke topološke izolatore, materijale u kojima se elektroni ponašaju na načine koji su "topološki zaštićeni" ili postojani pred određenim poremećajima, topološki koncepti sve se češće primjenjuju za otkrivanje materijala sa sličnim robusnim elektroničkim svojstvima. 

Uz pomoć superračunala

Donedavno je bilo identificirano nekoliko topoloških materijala od kojih bi se mogli izraditi bolji i robusniji elektronički uređaji pa se pretpostavljalo da su oni rijetki. No, sada su istraživači MIT-a uz pomoć kolega s drugih fakulteta otkrili da se topološki materijali zapravo nalaze posvuda, samo ih trebate znate tražiti.

Nova, slobodno dostupna baza podataka topoloških materijala nalikuje periodnom sustavu
Nova, slobodno dostupna baza podataka topoloških materijala nalikuje periodnom sustavu

U članku, objavljenom u časopisu Science, navedeno je više od 96.000 prirodnih i sintetičkih kristalnih materijala, mapiranih pomoću više superračunala. Pokazalo se da 90 posto svih poznatih kristalnih struktura sadrži barem jedno topološko svojstvo, a više od 50 posto svih prirodnih materijala pokazuje neku vrstu topološkog ponašanja.


Poučak krafne

Topologija proizlazi iz grane matematike koja proučava oblike kojima se može manipulirati bez gubitka određenih temeljnih svojstava. Krafne s rupom u sredini tipičan su primjer: da su gumene, mogle bi se uvrnuti i stisnuti u potpuno novi oblik, uz zadržavanje središnje rupe. Rupa je u ovom slučaju topološka osobina, otporna na određene deformacije.


Istraživači su temeljem podataka izradili i novu, slobodno dostupnu bazu podataka topoloških materijala koja nalikuje periodnom sustavu.

Statistika topoloških materijala
Statistika topoloških materijala

S ovom novom bibliotekom znanstvenici mogu brzo pretraživati topološka svojstva različitih materijala i iskoristiti ih za izradu tranzistora ultra male snage, nove magnetske memorije i drugih uređaja s robusnim elektroničkim svojstvima.

Baza podataka

Nova studija motivirana je željom da se ubrza tradicionalna potraga za topološkim materijalima. Istraživači. su pregledali bazu podataka anorganskih kristalnih struktura (ICSD), veliko spremište u koje istraživači unose atomske i kemijske strukture kristalnih materijala koje su proučavali. Baza podataka uključuje materijale pronađene u prirodi, ali i one laboratorijski sintetizirane i obrađene. 

ICSD je najveća baza podataka materijala na svijetu i sadrži više od 193.000 mapiranih i okarakteriziranih kristalnih struktura
ICSD je najveća baza podataka materijala na svijetu i sadrži više od 193.000 mapiranih i okarakteriziranih kristalnih struktura

Istraživači su za svaku strukturu izveli skup proračuna i izradili kartu elektroničke strukture materijala. To im je uspjelo zahvaljujući više superračunala koja su iskoristili i za pregled različitih topoloških faza i postojanog električnog ponašanja u svakom kristalnom materijalu.

Tako je otkriven iznenađujuće velik broj prirodno topoloških materijala, kao i materijala kojima se može manipulirati svjetlosnim ili kemijskim dopingom. Otkriven je i pregršt materijala koji sadrže više od jednog topološkog stanja kad ih se izloži određenim uvjetima.