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金屬所計算和數據驅動的拓撲聲子材料研究取得重要進展
 
2021-03-01 | 文章来源:材料设计与计算研究部        【 】【打印】【關閉

  聲子是凝聚態物質中最常見的粒子之一,是晶格振動的能量量子化的體現,集體激發的准粒子,與材料的熱學、光學、電學和力學等基本物性密切相關。2017年之前,從拓撲絕緣體,拓撲半金屬到拓撲超導,拓撲電子材料的研究引領了前沿,固體材料的拓撲聲子研究還是空白。與其它體系的拓撲物性一樣,因拓撲性的保護聲子也會在材料表面或者邊緣激發非平庸拓撲聲子態,能量和信號可以沿著特定拓撲聲子模式定向輸運,其抗幹擾和散射能力強,可實現低耗散傳輸,由此會展現出許多奇異物性,具有非常誘人的應用前景。 

  金屬所沈陽材料科學國家研究中心材料設計與計算研究部的科研人員與合作者設計研發了高通量計算與大數據技術相互融合和叠代的拓撲聲子材料計算算法和軟件HT-PHONON,從13千多個材料中篩選出5千多個拓撲聲子材料,預言了系列拓撲單外爾聲子、雙外爾聲子、高簡並外爾聲子、拓撲直線態聲子和拓撲節線環聲子等材料,並闡明其存在的機制。而在此之前,僅僅只有10多種拓撲聲子材料被理論預測。222日,這一研究結果以“Computation and data driven discovery of topological phononic materials”爲題發表于Nature Communicationsdoi: 10.1038/s41467-021-21293-2),並入選其Editors’ Highlights 

  与电子不同的是,声子系统不受泡利不相容原理的限制,也没有费米能级的限制。基于这个认识,拓扑声子材料要比拓扑电子材料更为普遍;但如何通过高通量计算从数以萬计的实际材料中,高效地把材料的拓扑声子态刻画出来是一个亟需解决的问题。当时,主要面临两个方面的困难:第一,声子的计算耗时耗力,无论是使用密度泛函微扰理论还是使用有限位移法,通过第一性原理无人为干预下准确计算大量材料的声子力常数是一个十分巨大的挑战;第二,声子拓扑不变量的计算,由声子力常数构建动力学矩阵,依据不同的拓扑不变量的进行分类到刻画拓扑表面态,声子服从玻色爱因斯坦统计无费米能限制,全频域拓扑分析要比只关注费米能级的电子体系高出多个数量级,高效的拓扑分析是另一个挑战。 

  基于以上挑戰,科研人員優化了拓撲不變量的計算實現高效、便捷的拓撲分析,開發了高通量拓撲聲子計算軟件包HT-PHONON,從声子力常数到拓扑不变量的计算分析,從拓扑声子精确位置到类别刻画,從拓扑特性到表面态,并最终分类入库实现了一套高通量全自动的计算框架。在这个过程中他们还发现了许多新奇的拓扑声子材料,如大数据分析到的322個幹淨的拓撲外爾聲子材料、沙漏型拓撲聲子材料和多重外爾聲子材料等;並進一步闡述了不同類別的拓撲聲子發生的條件和它們彼此之間的關聯,澄清了時間反演或者空間反演對稱破缺、或非點式空間群(螺旋軸或滑移反映面)等操作對産生奇特拓撲聲子態的關鍵作用和相互關系;在TeO3等材料中揭示了受非點式空間群保護的沙漏型拓撲聲子;在LiCaAsScZn等材料中揭示了恰好在聲學支和光學支接觸處存在的拓撲聲子態,具有顯著的抑制聲子散射作用;在非傳統超導體AuBe中發現三重和四重外爾聲子共存,表面會産生極長的受拓撲保護的聲子弧態等新奇的拓撲聲子材料,未來還有更多有趣的拓撲聲子值得去探索。 

  到目前爲止,科研人員還實現了在線拓撲聲子數據的通用化、便捷化和可視化,建成了拓撲聲子材料數據庫,包含了該工作的5014個材料共30多萬条数据,网址为www.phonon.synl.ac.cn,可在線查詢和使用。這項工作還在不斷進展中,由于材料聲子的計算耗時耗力,高通量計算仍需2-3年時間,預計最終達到3萬个拓扑声子材料数据的规模。拓扑声子数据库的构建一方面解决了声子力常数获取难的问题,另一方面为材料声子和拓扑声子的研究提供了大量的理想备选材料,從而推动该领域的发展。 

  該項研究主要由金屬所沈陽材料科學國家研究中心完成,並與美國內華達拉斯維加斯大學合作。金屬所陳星秋研究員和美國內華達拉斯維加斯大學助理教授Qiang Zhu爲本文的通訊作者。論文作者包括金屬所博士生李江旭、劉嘉希、劉鳴鳳、王磊,美國內華達拉斯維加斯大學博士生Stanley A. Baronett。本工作得到了國家自然科學基金委和沈陽材料科學國家研究中心等項目資助。 

  全文鏈接

圖1 大數據揭示的拓撲聲子材料的分類和它們之間的關系

圖2 在半Huseler合金LiCaAs家族材料中揭示的在聲學支頂點與光學支最低點接觸處存在的拓撲單外爾聲子及其表面態

圖3 在非傳統超導AuBe合金中揭示的三重和四重拓撲外爾聲子共存及其産生的極長表面拓撲聲子弧態

圖4 在TeO3材料中揭示的受非點式空間群保護的新型沙漏拓撲聲子態,其沙漏聲子形成一張相互連通的網格,並産生鼓膜類的表面態

圖5 拓撲聲子數據庫網站www.phonon.synl.ac.cn

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