科技日報北京5月23日電 （記者張夢然）怎樣才能讓我們的電子產(chǎn)品更智能、更快、更有彈性？答案是用拓撲材料構(gòu)建它們。據(jù)最近一期《科學》雜志發(fā)表的一篇論文，一個國際研究團隊利用多臺超級計算機，繪制了96000多種天然和合成晶體材料的電子結(jié)構(gòu)圖。他們應用復雜過濾器來確定每個結(jié)構(gòu)中是否存在以及存在什么樣的拓撲特征，結(jié)果發(fā)現(xiàn)90%的已知晶體結(jié)構(gòu)都包含至少一種拓撲特性，超過50%的天然材料表現(xiàn)出某種拓撲行為。

　　由西班牙多諾斯蒂亞國際物理中心和美國普林斯頓大學領(lǐng)導的國際研究團隊發(fā)現(xiàn)，近90%的材料都擁有遠離其固有電子數(shù)的拓撲電子態(tài)，即費米能級。盡管這些狀態(tài)在許多實驗探針中處于休眠狀態(tài)，但它們?nèi)匀豢赏ㄟ^化學摻雜、靜電門控、靜水壓力和光激發(fā)光譜等技術(shù)直接獲得。

　　研究發(fā)現(xiàn)，2%的已知材料是“超拓撲的”，即緊密結(jié)合的核心電子之上的每個電子帶都是拓撲的。在被忽視的超拓撲材料中，鉍是歷史上研究最充分的固態(tài)材料之一。

　　團隊將新確定的材料編譯成一個可免費訪問的拓撲材料數(shù)據(jù)庫，類似于“拓撲周期表”。有了這個新數(shù)據(jù)庫，科學家們可快速搜索感興趣的材料，尋找它們可能擁有的任何拓撲特性，并利用它們來構(gòu)建超低功耗晶體管、新型磁存儲器和其他具有強大電子特性的設(shè)備。

　　研究人員查看了無機晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫包括在自然界中發(fā)現(xiàn)的材料，以及在實驗室中合成的材料，其也是目前世界上最大的材料數(shù)據(jù)庫，包含超過193000個晶體，相關(guān)結(jié)構(gòu)已被繪制和表征。從高通量分析中，研究團隊很快發(fā)現(xiàn)了大量自然拓撲材料，無需任何實驗操作，它們即可表現(xiàn)出某種強大的電子行為。他們還發(fā)現(xiàn)，少數(shù)材料在暴露于特定條件時包含一種以上的拓撲狀態(tài)。

　　研究人員表示，“以新的視角重新審視以前的實驗是驚人的第一步，但我們可以展望一個更令人興奮的未來，在拓撲材料數(shù)據(jù)庫和拓撲量子化學的基礎(chǔ)上，通過人類直覺和人工智能的結(jié)合，設(shè)計出具有先進功能的材料”。

　　【總編輯圈點】

　　數(shù)學無處不在，萬物皆可拓撲。此前，理論物理學家指出，看起來所有材料都存在某種拓撲態(tài)。當本來屬于幾何領(lǐng)域的拓撲概念進入物理世界，物質(zhì)相變就更加“靈動”多樣。此次，科研人員用超級計算機繪制了96000多種天然和合成晶體材料的電子結(jié)構(gòu)圖，篩選出了各種已知的拓撲相，給后人的研究，樹立了更加清晰的指引路牌。它相當于告訴人們，哪些材料具備哪些潛力，就看科研人員能否用合適的方法挖掘或者設(shè)計出來了。正如研究人員所說，它可以讓我們展望一個更令人興奮的未來。

            （《科技日報》2022年5月24日，第  4  版）