ความแพร่หลายของวัสดุทอพอโลยีเปิดเผยในแคตตาล็อกที่มีสารหลายพันชนิด

แคตตาล็อกที่ครอบคลุมของวัสดุทอพอโลยีที่มีศักยภาพสองรายการได้รับการตีพิมพ์โดยทีมนักฟิสิกส์อิสระ แคตตาล็อกประกอบด้วยวัสดุที่เป็นผลึกหลายพันชนิด และแนะนำว่าวัสดุทอพอโลยีมีอยู่ทั่วไปมากกว่าที่เคยคิดไว้มาก การรู้คุณสมบัติทอพอโลยีของวัสดุหลากหลายชนิดอาจเป็นประโยชน์สำหรับนักวิจัยที่พยายามพัฒนาอุปกรณ์ที่มีประโยชน์ทางเทคโนโลยี

การศึกษาวัสดุทอพอโลยีเป็นประเด็นร้อน

ในฟิสิกส์ของสสารควบแน่น ตั้งแต่นั้นมา นักฟิสิกส์ได้ระบุวัสดุหลายร้อยชนิดที่มีคุณสมบัติทอพอโลยีสิ่งเหล่านี้ส่วนใหญ่เป็นฉนวนทอพอโลยี ซึ่งเป็นฉนวนไฟฟ้าในปริมาณมาก แต่มีตัวนำที่ดีมากบนพื้นผิว สิ่งนี้เกิดขึ้นเนื่องจากอิเล็กตรอนบนพื้นผิวของวัสดุเหล่านี้ไม่สามารถสะท้อนกลับจากสิ่งเจือปนหรือข้อบกพร่องโดยไม่ย้อนกลับทิศทางของการหมุน – ซึ่งเป็นผลมาจากโทโพโลยีของสถานะพื้นผิวอิเล็กทรอนิกส์

สถานะทอพอโลยีนั้นแข็งแกร่งต่อการก่อกวนที่เกิดจากสิ่งเจือปน ข้อบกพร่อง หรือเสียงรบกวน ดังนั้นวัสดุทอพอโลยีจึงสามารถพิสูจน์ได้ว่ามีประโยชน์มากในการสร้างอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์พลังงานต่ำและแม้แต่คอมพิวเตอร์ควอนตัม

ตัวบ่งชี้สมมาตรเมื่อไม่กี่สัปดาห์ก่อนPhysics World ได้รายงานเกี่ยวกับการพิมพ์ล่วงหน้าarXivที่อธิบายการค้นหาวัสดุทอพอโลยีอย่างครอบคลุมโดยใช้ “ตัวบ่งชี้สมมาตร” งานนี้ทำโดยAshvin Vishwanathจาก Harvard University ในสหรัฐอเมริกาXiangang Wanที่มหาวิทยาลัยหนานจิงของจีนและเพื่อนร่วมงาน ทีมงานได้ใช้เทคนิคที่พัฒนาขึ้นในปี 2017 โดย Vishwanath และคนอื่นๆ ได้คำนวณคุณสมบัติเฉพาะของวัสดุที่เป็นผลึกที่จุดสมมาตรสูงในโครงสร้างแถบอิเล็กทรอนิกส์ของวัสดุ 

ทำให้ทีมตัดสินใจได้ว่าวัสดุมีคุณสมบัติทอพอโลยีหรือไม่ โดยไม่ต้องทำการคำนวณที่ซับซ้อนเกินไปและใช้คอมพิวเตอร์มาก พวกเขาสามารถระบุวัสดุเกือบ 400 ชนิดที่สามารถเป็นฉนวนทอพอโลยีและกึ่งโลหะทอพอโลยีที่มีศักยภาพเกือบ 700 ชนิด

วิธีการที่คล้ายกันของ “ตัวบ่งชี้สมมาตร” 

ยังได้รับการพัฒนาโดยทีมงานนานาชาติซึ่งรวมถึงAndrei Bernevig จากมหาวิทยาลัยพรินซ์ ตัน ในปี 2560 เบอร์เนวิกและคณะได้เปิดเผยแนวทางที่เรียกว่า “ทอพอโลยีเคมีควอนตัม” ซึ่งตอนนี้พวกเขาได้ใช้ในการคำนวณความสมมาตรที่เกี่ยวข้องของวัสดุเกือบ 27,000 ชนิด ผลที่ได้คือ ทีมงานได้ระบุตัวฉนวนเชิงทอพอโลยีมากกว่า 3,000 รายการและกึ่งโลหะเชิงทอพอโลยีมากกว่า 4,000 รายการ เพื่อให้นักวิจัยคนอื่นๆ เข้าถึงผลลัพธ์ได้ง่ายขึ้น ทีมงานจึงได้สร้างแคตตาล็อกออนไลน์ที่สามารถค้นหาได้

ผลลัพธ์ที่ได้นั้นน่าประหลาดใจ: มากกว่าหนึ่งในสี่ของวัสดุทั้งหมดแสดงโทโพโลยีบางประเภทAndrei Bernevig”เมื่อการวิเคราะห์เสร็จสิ้นและแก้ไขข้อผิดพลาดทั้งหมดแล้ว ผลลัพธ์ที่ได้ก็น่าทึ่ง: มากกว่าหนึ่งในสี่ของวัสดุทั้งหมดแสดงโทโพโลยีบางประเภท” Bernevig กล่าว “โทโพโลยีมีอยู่ทั่วไปในวัสดุ ไม่ใช่เรื่องลึกลับ” เขากล่าวเสริม

ในขณะเดียวกัน ที่สถาบันฟิสิกส์ (IOP) ของ Chinese Academy of Sciences ในกรุงปักกิ่ง ทีมงานซึ่งรวมถึงZhong Fang , Chen FangและHongming Wengใช้วิธีการที่คล้ายกันในการคำนวณคุณสมบัติเชิงทอพอโลยีที่เป็นไปได้ของวัสดุผลึกที่รู้จักประมาณ 39,000 ชนิด ทีมงาน IOP ระบุวัสดุทอพอโลยีมากกว่า 8000 รายการ และยังแสดงผลลัพธ์ในแคตตาล็อกออนไลน์ที่ค้นหาได้

ไม่ใช่ทุกคนในอุดมคติChen Fang ยังกล่าวอีกว่าเขา “ประหลาดใจมาก” กับวัสดุทอพอโลยีจำนวนมากที่ได้รับการระบุ อย่างไรก็ตาม เขาเตือนว่าวัสดุเหล่านี้จำนวนมากไม่ “เหมาะสม” และคุณสมบัติเชิงทอพอโลยีของบางชนิดอาจถูกละเลงโดยคุณสมบัติที่ไม่ใช่เชิงทอพอโลยีที่มากกว่า

อย่างไรก็ตาม ฝางคาดว่าแคตตาล็อก

จะมีประโยชน์มากสำหรับทั้งการวิจัยขั้นพื้นฐานและการพัฒนาอุปกรณ์ทอพอโลยีที่ใช้งานได้จริง ตัวอย่างเช่น คนที่พยายามสร้างอุปกรณ์คอมพิวเตอร์ควอนตัมโดยอิงจากตัวนำยิ่งยวดทอพอโลยี สามารถใช้แคตตาล็อกเพื่อค้นหาวัสดุที่มีทั้งคุณสมบัติเชิงทอพอโลยีและตัวนำยิ่งยวด

Bernevig – ผู้ซึ่งกล่าวว่าผลงานของทีมของเขาสอดคล้องกับกลุ่ม IOP – กล่าวเสริมว่า “เมื่อเสร็จสมบูรณ์แล้ว แคตตาล็อก [ของเรา] จะนำไปสู่ยุคใหม่ของการออกแบบวัสดุทอพอโลยี” เขาเสริมว่า “นี่คือจุดเริ่มต้นของตารางธาตุชนิดใหม่ที่สารประกอบและองค์ประกอบได้รับการจัดทำดัชนีโดยคุณสมบัติทางทอพอโลยีมากกว่าวิธีการแบบเดิม”

Marcel Franzนักทฤษฎีที่เชี่ยวชาญด้านสถานะทอพอโลยีของสสารที่มหาวิทยาลัยบริติชโคลัมเบียกล่าวกับPhysics World ว่า “ผมไม่แปลกใจเลยจริงๆ กับจำนวนของวัสดุทอพอโลยีที่เพิ่งถูกระบุใหม่” เขาเสริมว่า “โทโพโลยีนั้นจะแพร่หลายในธรรมชาติโดยธรรมชาติแล้วได้รับการแนะนำโดยฉนวนทอพอโลยี (3D) จำนวนมากที่ค้นพบภายในสองสามปีของการทำนายตามทฤษฎีดั้งเดิม”

“สิ่งที่ทำให้ฉันประหลาดใจก็คือการค้นหาฐานข้อมูลอย่างละเอียดถี่ถ้วนไม่พบ ‘อัญมณีที่ซ่อนอยู่’ ที่เห็นได้ชัดจริงๆ ตัวอย่างเช่น ดูเหมือนว่า bismuth selenide (หนึ่งในฉนวนทอพอโลยีแรกที่ค้นพบครั้งแรก) จะยังคงเป็นฉนวนทอพอโลยีที่ดีที่สุดในแง่ของขนาดช่องว่างขนาดใหญ่และตัวชี้วัดอื่นๆ”

“นาโนเทคโนโลยีด้านวิทยาศาสตร์พืชเป็นพรมแดนใหม่ที่น่าตื่นเต้น และเราเพิ่งเริ่มเข้าใจว่าอนุภาคนาโนสามารถบีบตัวผ่านผนังเซลล์ได้อย่างไร ห้องปฏิบัติการของฉันเพิ่งเสร็จสิ้นการศึกษาโดยใช้ DNA origami เพื่อดูว่าพารามิเตอร์ เช่น ขนาดอนุภาคนาโน ความฝืด และรูปร่างสามารถส่งผลต่อการที่อนุภาคเข้าไปในเซลล์พืชหรือไม่ การทำความเข้าใจว่าอนุภาคเหล่านี้จัดการเพื่อเจาะผนังเซลล์อย่างเงียบๆ ได้อย่างไร จะช่วยให้เราพัฒนาเครื่องมือที่ดีขึ้นในอนาคต เพื่อให้เราสามารถใช้เครื่องมือที่น่าตื่นเต้นอื่นๆ เช่น CRISPR สำหรับวิศวกรรมพืชรุ่นต่อไปเพื่อการเกษตรที่ดีขึ้น”

Credit : เกมส์ออนไลน์แนะนำ >>>เว็บสล็อตแตกง่าย