怎樣才能讓我們的電子產(chǎn)品更智能、更迅速、更有適應性？一種想法就是用拓撲材料來制造它們。

拓撲學源于數(shù)學的一個分支，它專門研究一些可以被操縱或變形，卻不會喪失某些核心特性的形狀，比如“甜甜圈”就是一個常見的例子。


從甜甜圈到咖啡杯的拓撲轉(zhuǎn)換。(圖/Keenan Crane and Henry Segerman,Wikimedia Commons,CC BY-SA)

想象一個用橡膠制成的“甜甜圈”，它就可以被扭曲和擠壓成一個全新的形狀，同時仍然保留一個關(guān)鍵特征，也就是中心的孔洞，比如它可以轉(zhuǎn)換成一個帶手柄的咖啡杯，手柄便保留下了中心孔洞的特征。在這種情況下，這個孔就是一種拓撲特征，它對某些變形具有很強的“抵抗力”。

近年來，科學家已經(jīng)將拓撲學的概念應用在發(fā)現(xiàn)具有類似的強大電子特性的材料上。2007年，科學家預測了第一個電子拓撲絕緣體，其中電子的行為方式是拓撲保護的，在面對某些破壞時仍可以持續(xù)存在。

自那時起，為了建造更好、更穩(wěn)健的電子設備，科學家一直在尋找更多拓撲材料。但原先僅僅發(fā)現(xiàn)了少量類似材料，因此它們被認為非常罕見。

但近日，一組研究人員已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，拓撲材料其實無處不在，重要的是需要知道如何尋找它們。在《科學》雜志上的一篇論文中，團隊報道他們利用多臺超級計算機，繪制了96000多種天然和合成晶體材料的電子結(jié)構(gòu)。

他們應用復雜的過濾器來確定每種結(jié)構(gòu)中是否存在拓撲特征以及哪種特征?？偟膩碚f，他們發(fā)現(xiàn)，所有已知的晶體結(jié)構(gòu)中，有9成至少包含一種拓撲特性，而所有自然發(fā)生的材料中，半數(shù)以上都會表現(xiàn)出某種拓撲行為。

超越直覺的搜索 
過往，科學家發(fā)現(xiàn)原始材料的方式通常是依賴化學直覺。這種方法在早期帶來了很多成功的例子，但是，隨著理論預測出了更多種類的拓撲相時，直覺似乎并沒有能幫助我們走得很遠。

這項新研究的動機正是希望加快對拓撲材料的搜索。研究團隊想找到一種高效且系統(tǒng)的方法，在所有已知的晶體結(jié)構(gòu)(無機固態(tài)材料)中找出拓撲結(jié)構(gòu)的跡象，也就是穩(wěn)健的電子行為。

研究人員首先著眼于無機晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(ICSD)。這個數(shù)據(jù)庫包含了大量過往研究過的晶體材料的原子和化學結(jié)構(gòu)，囊括了在自然界中發(fā)現(xiàn)的材料，也有那些在實驗室中被合成和操縱的材料。它是目前世界上最大的材料數(shù)據(jù)庫，包含了超過193000種晶體，它們的結(jié)構(gòu)都已被繪制并表征。

團隊從整個數(shù)據(jù)庫中篩選出了96000多種最終可處理的結(jié)構(gòu)。對于其中每一種，他們根據(jù)化學成分之間的關(guān)系進行了一系列計算，從而制作出材料的電子帶結(jié)構(gòu)的圖譜。

研究人員使用多臺超級計算機對每種結(jié)構(gòu)進行了高效而復雜的計算，接著，他們進而篩選出各種已知的拓撲相，也就是每種晶體材料中持續(xù)存在的電學行為。

從他們的高通量分析中，團隊很快就發(fā)現(xiàn)了數(shù)量驚人的自然拓撲材料，以及可以被操控的材料，例如借助光或化學摻雜而表現(xiàn)出某種穩(wěn)健的電子行為。他們還發(fā)現(xiàn)了少數(shù)幾種材料，當暴露在某些條件下時，這些材料含有超過一種拓撲態(tài)。

拓撲材料數(shù)據(jù)庫
團隊已經(jīng)將新發(fā)現(xiàn)的材料編入了一個可自由訪問的新的拓撲材料數(shù)據(jù)庫，它就像一個拓撲學的“元素周期表”。

對于正在研究這種效應的實驗者來說，新的數(shù)據(jù)庫揭示了一個可供探索的新材料群。有了它，科學家就可以快速搜索感興趣的拓撲材料，了解可能擁有的任何拓撲特性，并利用它們制造出超低功率的晶體管、新的磁性記憶存儲以及其他具有強大電子特性的設備。