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原标题:计算和数据驱动的拓扑声子材料研究进展

声子是凝聚态物质中最常见的粒子之一,是晶格振动能量量子化的体现。集体激发的准粒子与材料的热、光、电、力学等基本物理性质密切相关。2017年之前,从拓扑绝缘体、拓扑半金属到拓扑超导,拓扑电子材料的研究引领前沿,而固体材料的拓扑声子还没有研究。与其他系统的拓扑性质一样,由于拓扑保护声子会在材料表面或边缘激发出非平庸的拓扑声子态,因此能量和信号可以沿着特定的拓扑声子模式定向传输,具有很强的抗干扰和散射能力,可以实现低耗散传输,从而展现出非同寻常的异物,具有广阔的应用前景。

中国科学院冶金研究所沈阳国家材料科学研究中心材料设计与计算研究部及其合作者设计开发了一种集成和迭代高通量计算和大数据技术的拓扑声子材料计算算法和软件HT-声子。从13000多种材料中筛选出5000多种拓扑声子材料,预测了一系列拓扑单外声子、双外声子、高度简并外声子、拓扑线性声子和拓扑节点环声子,并阐明了它们存在的机理。此前,理论上只预测了10种拓扑声子材料。最近,相关的研究成果《拓扑光子材料的计算和数据驱动发现》发表在《自然通讯》上,并被选为编辑的亮点。

与电子不同,声学子系统不受泡利不相容原理和费米能级的限制。基于这种认识,拓扑声子材料比拓扑电子材料更常见;如何通过高通量计算,高效地描述成千上万种实际材料中材料的拓扑声子态,是一个亟待解决的问题。面临两个困难:第一,声子的计算费时费力。无论是使用密度泛函微扰理论还是有限位移法,通过第一性原理精确计算大量材料的声子力常数而不需要人为干预都是具有挑战性的;其次,计算声子拓扑不变量,由声子力常数构造动力学矩阵,根据不同的拓扑不变量对拓扑表面状态进行分类。声子服从玻色爱因斯坦统计,没有费米能级限制,整个频域的拓扑分析比只关注费米能级的电子系统高几个数量级。高效的拓扑分析是另一个挑战。

研究人员对拓扑不变量的计算进行了优化,实现了高效便捷的拓扑分析,开发了高通量的拓扑声子计算软件包HT-声子,实现了一套从声子力常数到拓扑不变量、从拓扑声子精确位置到类别描述、从拓扑特征到表面状态、分类入库的高通量自动计算框架。在这个过程中,研究人员还发现了新的拓扑声子材料,如大数据分析的322清洁拓扑非本征声子材料、沙漏拓扑声子材料和多种非本征声子材料;进一步阐述了不同类型拓扑声子出现的条件及其相互关系,阐明了时间反演或空间反演对称性破缺或非点空间群(螺旋轴或滑移反射面)产生特殊拓扑声子态等操作的关键作用和相互关系。TeO3等材料中揭示了非点空间群保护的沙漏拓扑声子;在LiCaAs和ScZn中揭示了恰好在声支和光支接触处的拓扑声子态,具有显著的抑制声子散射的作用,发现三重和四重非本征声子在非常规超导体AuBe中共存,表面会产生超长拓扑保护声子弧态等新型拓扑声子材料。未来会有更多有趣的拓扑声子值得探索。

目前,研究人员已经实现了在线拓扑声子数据的通用化、便捷化和可视化,建立了拓扑声子材料数据库,包含5014种材料的30多万条数据(www.phonon.synl.ac.cn),可以在线查询和使用。这项工作仍在发展中。由于材料中声子的计算耗时耗力,高通量计算仍需2-3年,估计最终会达到3万拓扑声子材料数据的规模。拓扑声子数据库的构建解决了声子力常数获取困难的问题,为材料声子和拓扑声子的研究提供了理想的候选材料,从而促进了该领域的发展。

该研究主要由沈阳冶金学院材料科学国家研究中心完成,并与美国内华达州拉斯维加斯大学合作。金属研究所研究员陈兴秋和美国内华达州拉斯维加斯大学助理教授朱强是这篇论文的通讯作者。论文作者包括美国内华达州拉斯维加斯大学金属研究所博士生李、、陆嘉熙、刘明峰、,以及美国内华达州拉斯维加斯大学博士生斯坦利·A·巴罗内特。研究工作得到了国家自然科学基金和沈阳国家材料科学研究中心的支持。

图1。大数据揭示的拓扑声子材料分类及其关系

图2。半胡塞尔合金LiCaAs族材料中揭示的拓扑单外声子及其在声支顶点与光支最低点接触处的表面态

图3。非传统超导AuBe合金中三重和四重拓扑非本征声子的共存及其产生的超长表面拓扑声子弧态

图4。TeO3材料中揭示了一种新的由非点空间群保护的沙漏拓扑声子态,其中沙漏声子形成了一个相互连接的网格并产生了鼓膜表面态

图5。拓扑声子数据库网站的www.phonon.synl.ac.cn

来源:中国科学院金属研究所返回搜狐看更多

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