金属所《Nature》子刊：计算和数据驱动发现拓扑声子材料！
拓扑量子态的发现，开创了凝聚态物理和材料科学的新篇章。2016年诺贝尔物理学奖授予了拓扑领域的三位美国物理学家，以表彰他们将拓扑引入到凝聚态系统中的卓越理论贡献。通过与自旋电子系统的类比，拓扑概念被扩展到声子，促进了拓扑声子(topological phonics, TPs)的诞生。
近日，来自中科院金属所、中国科大、美国内华达大学的等单位的研究者，提出了一种高通量筛选和数据驱动的方法，来计算和评估超过10,000种真实材料中的TPs。相关论文以题为“Computation and datadriven discovery of topological phononic materials”发表在Nature Communications上。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-021-21293-2
近十年来，拓扑概念，对凝聚态物理和材料科学中的电子能带结构理论，产生了深远的影响。从理论上提出了数千种拓扑电子材料，其中一些经过实验验证，如拓扑绝缘体、Dirac/Weyl半金属和节点线半金属等。与拓扑电子性质类似，拓扑的关键定理和概念，可以引入声子领域，称为拓扑声子(TPs)。特别是固体材料中的TPs，也与一些特定的原子晶格振动相关，一般在太赫兹频率范围内，从而为研究各种与玻色子相关的准粒子，提供了丰富的平台。
最近，一些真实的材料被预测为外尔TPs、节点线TPs和节点环声子的载体。在非中心对称WC-型材料中，单外尔TPs表现出双简并的外尔点，拓扑电荷为1。在FeSi型材料中，双外尔TPs得到了预测和实验证实。在SiO2中，同时存在单、双外尔TPs。除了在倒易空间中，占据离散位置作为外尔点外，这些带交叉点还可以连续形成节点线(如在MgB2和Rb2Sn2O3中)或节点环TPs(如在石墨烯、bcc C8和MoB2中)。多重临界物理现象的存在，如声子谷霍尔效应、声子量子反常类霍尔效应、多值自由度控制的声子量子自旋类霍尔效应等，有利于TPs的应用。由于拓扑保护状态不受后向散射的影响，因此在异常热传输、声子波导等方面具有广阔的应用前景。除了原子晶体，拓扑声子在机械超材料、声学系统和麦克斯韦框架中，也得到了广泛研究。
在拓扑电子材料中，人们只需要关注费米能级附近的能量状态，而声子则不同，它表现出几种不同的特性。首先，泡利不相容原理没有限制。其次，由于热激发，每个遵循玻色-爱因斯坦统计的声子模都可以变得实际活跃。第三，声子是带电的无自旋玻色子，不受电场和磁场的直接影响。因此，研究TPs需要对所有声子分支进行全频率分析。到目前为止，大规模识别TP材料仍然具有挑战性，因为计算声子带色散比计算电子带结构要昂贵得多。因此，与最近在拓扑电子材料方面的工作相比，在高通量(HT)计算方式下寻找可行的TP材料当然更加困难。
在此，研究者提出了一个高效和完全自动化的工作流程，可以在大量固体材料中筛选TP交叉点。研究者发现了5014种TP材料，并将其分为两大类：外尔和节点线(环)TPs。研究者阐明了不同材料中单外尔、高简并外尔、单个节点线(环)、节点链、节点链和节点网TPs的物理机制及其相互关系。在声子系统中，研究者预测了TeO3中的沙漏节点净TPs，以及半-赫斯勒LiCaAs中声学和光学分支之间的干净的、单一的i型外尔TPs。此外，研究者还发现不同类型的TPs可以在许多材料中共存(如ScZn)。研究者还讨论了TPs的潜在应用和实验检测。
图1 拓扑声子高通量计算筛选的原理图。
图2 LiCaAs的声子色散和单外尔TPs。
图3高简并外尔TPs的声子能带结构和表面态。
图4 ScZn声子的能带结构和拓扑性质。
图5 TeO3的沙漏节点网TPs。
图6 不同类型TPs之间的关系示意图。
在此，研究者开发了一种HT和数据驱动的方法，利用现有的声子数据库和内部计算，评估超过了10,000种材料中的TPs。该筛选表明TP状态是普遍存在的，这突出了在各种材料中，实现TP以实现不同潜在应用的广泛可能性。因此，利用这些已知的TP材料中的拓扑声子，可以实现许多激发现象，如拓扑超导和高热电效应等。（文：水生）