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前沿:Nature-拓扑平带材料-化学计量数据库 | 拓扑绝缘体

前沿:Nature-拓扑平带材料-化学计量数据库 | 拓扑绝缘体 两江科技评论
2022-04-01
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拓扑电子平带Topological electronic flattened bands,主要位于费米能级附近或费米能级处,是通往非常规超导和相关绝缘态的必经途径。然而,相关实验大多局限于工程材料,如莫尔moiré 系统。

 近日,美国 普林斯顿大学(Princeton University)B. Andrei Bernevig,Zhi-Da Song团队Nicolas Regnault,德国马普所微结构物理所 (MaxPlanck Institute of Microstructure Physics)Yuanfeng Xu,清华大学物理系Ming-Rui Li  北京理工大学物理系Da-Shuai Ma等在Nature上发文,报道给出了天然存在于费米能级附近,具有平带的三维化学计量材料目录。使用拓扑量子化学网站编目的无机晶体结构数据库中55206种材料,该网站材料平带数据库Materials Flatband Database website (MFBDB:https://www.topologicalquantumchemistry.fr/flatbands/) 提供了其结构参数、空间群、能带结构、态密度和拓扑特征。
通过将几个直接特征和能带平坦性,与所有晶体结构高通量分析相结合,确定了可能导致平带的二维或三维线图或二分子晶格材料。从这个信息数据库中,创建了材料平带数据库网站,这是一个用于未来理论和实验研究的强大搜索引擎。使用该数据库提取了2379种高质量平带材料的精选列表,从中确定了345种有希望的候选材料,这些候选材料可能拥有电荷中心不在原子位置上的平带。研究展示了,五种具有代表性的材料,并介绍了S矩阵方法,对其接近费米能量平带起源,提供了理论解释。


Catalogue of flat-band stoichiometric materials.
平带化学计量材料目录。


图1:三种可能的平带类型。


表1|无机晶体结构数据库Inorganic Crystal Structure Database,ICSD条目统计信息,该数据库为每个晶格类型分配至少一个子晶格。

小注:第一行中,每种晶格类型给出了数据库(第一列)、精选平带材料列表(第二列)和最佳代表性平带材料(第三列)的ICSD条目数量。第二行提供了数据库中独特材料数量、精选平带材料列表以及最具代表性平带材料。第三行、第四行、第五行、第六行和第七行分别是Kagome、烧绿石、Lieb、二分体(在子晶格上具有不同数目原子)和分裂晶格的统计量。ICSD条目可能包含多种类型子格。第八行提供了没有检测到子晶格的ICSD的统计数据。对于每一列,根据第一行中提供的ICSD数量计算百分比。


图2:代表性平带材料的晶体和能带结构。


该项研究,对费米能级附近的平坦电子带进行了高通量搜索,并从化学计量晶体材料的晶体结构中,检测了线图line-graph和二分子晶格bipartite sublattices。根据平带拓扑结构、态密度、平带长度以及对平带有贡献原子所形成的晶格类型,对平带材料进行了细致分类。


这一算法应用于55206个无机晶体结构数据库Inorganic Crystal Structure Database,ICSD条目,研究发现,所有ICSD条目中,24052个(43.57%)在其晶体结构中至少具有Kagome、烧绿石、Lieb、二分体或分裂子晶格中的一种。对于人工筛选的6338个ICSD(2379个独特材料),这一比例提高到59.26%,对于最具代表性的平带材料,这一比例提高到73.87%。使用S矩阵方法,对五个典型化合物举例说明,可以在理论上解释材料中的平带出现。


该项研究结果,均可在材料平带数据库Materials Flatband Database website (MFBDB:https://www.topologicalquantumchemistry.fr/flatbands/) 网站上访问。这一研究结果,为未来结合拓扑和相互作用的平带材料理论和实验研究,铺平了道路,并产生了奇异量子现象,如磁性,非费米液体行为和超导。


目前,这种平带研究,仅限于二维工程扭曲莫尔晶格。虽然目前工作研究的是三维材料顺磁能带结构中的平带,但该研究方法,可以适用于探测磁能带结构、二维单层材料、声子和光子晶体中的平带。此外,这种平带flat obstructed atomic band,FOAB的进一步分类,有望扩大电荷中心远离原子位置的平带集合。


文献链接:https://www.nature.com/articles/s41586-022-04519-1
DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-022-04519-1
本文译自Nature。

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