计算和数据驱动的拓扑声子材料研究获进展

声子是凝集态物质中最常见的粒子之一，是晶格振动的能量量子化的表现，集体激发的准粒子，与材料的热学、光学、电学和力学等根本物性密切相干。2017年前，从拓扑绝缘体，拓扑半金属到拓扑超导，拓扑电子材料的研究引领了前沿，关于固体材料的拓扑声子尚未研究。与其他体系的拓扑物性一样，因拓扑性的保护声子会在材料外面或边沿激发非平淡拓扑声子态，能量和旌旗灯号可沿着特定拓扑声子模式定向输运，其抗干扰和散射才能强，可实现低耗散传输，由此展示出奇怪物性，具有广阔的应用前景。

中国科学院金属研究所沈阳材料科学国度研究中间材料设计与计算研究部与合作者，设计研发出高通量计算与大年夜数据技巧互相融合和迭代的拓扑声子材料计算算法和软件HT-PHONON，从1万3千多个资估中筛选出5千多个拓扑声子材料，预言了系列拓扑单外尔声子、双外尔声子、高简并外尔声子、拓扑直线态声子和拓扑节线环声子等材料，并解释其存在的机制。而此前，仅有10多种拓扑声子材料被理论猜测。近日，相干研究成果以Computationand data driven discovery of topological phononicmaterials为题，揭橥在Nature Communications上，并入选Editors’ Highlights。

与电子不合的是，声子体系不受泡利不相容道理的限制，也没有费米能级的限制。基于这一熟悉，拓扑声子材料比拓扑电子材料更广泛；若何经由过程高通量计算在数以万计的实际资估中高效地描述出材料的拓扑声子态是亟须解决的问题。面对两个艰苦：第一，声子的计算耗时耗力，无论是应用密度泛函微扰理论照样应用有限位移法，经由过程第一性道理无工资干涉下精确计算大年夜量材料的声子力常数具有挑衅性；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，根据不合的拓扑不变量的进行分类到描述拓扑外面态，声子屈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存眷费米能级的电子体系赶过多个数量级，高效的拓扑分析是另一挑衅。

科研人员优化了拓扑不变量的计算实现高效、便捷的拓扑分析，开辟出高通量拓扑声子计算软件包HT-PHONON，从声子力常数到拓扑不变量的计算分析，从拓扑声子精确地位到类别描述，从拓扑特点到外面态，并分类入库实现了一套高通量全主动的计算框架。在这一过程中，科研人员还发清楚明了别致的拓扑声子材料，如大年夜数据分析到的322个干净的拓扑外尔声子材料、沙漏型拓扑声子材料和多重外尔声子材料等；进一步阐述了不合类其余拓扑声子产生的前提和它们彼此之间的接洽关系，澄清了时光反演或空间反演对称破缺、或非点式空间群（螺旋轴或滑移反应面）等操尴尬刁难产生独特拓扑声子态的关键感化和互相关系；在TeO3等资估中揭示受非点式空间群保护的沙漏型拓扑声子；在LiCaAs和ScZn等资估中揭示正好在声学支和光学支接触处存在的拓扑声子态，具有明显的克制声子散射感化；在非传统超导体AuBe中发明三重和四重外尔声子共存，外面会产生极长的受拓扑保护的声子弧态等别致的拓扑声子材料，将来将有更多有趣的拓扑声子值得去摸索。

今朝，科研人员实现了在线拓扑声子数据的通用化、便捷化和可视化，建成了拓扑声子材料数据库，包含了该工作的5014个材料共30多万条数据（www.phonon.synl.ac.cn），可在线查询和应用。该工作仍在成长中，因为材料声子的计算耗时耗力，高通量计算仍需2-3年时光，估计最终达到3万个拓扑声子材料数据的范围。拓扑声子数据库的构建解决了声子力常数获取难的问题，并为材料声子和拓扑声子的研究供给了幻想备选材料，从而推动该范畴的成长。

该研究重要由金属所沈阳材料科学国度研究中间完成，并与美国内华达拉斯维加斯大年夜学合作。金属所研究员陈星秋和美国内华达拉斯维加斯大年夜学助理传授QiangZhu为论文通信作者。论文作者包含金属所博士生李江旭、刘嘉希、刘鸣凤、王磊，以及美国内华达拉斯维加斯大年夜学博士生Stanley A.Baronett。研究工作获得国度天然科学基金委员会和沈阳材料科学国度研究中间等的赞助。

图1.大年夜数据揭示的拓扑声子材料的分类和它们之间的关系

图2.在半Huseler合金LiCaAs家族资估中揭示的在声学支顶点与光学支最低点接触处存在的拓扑单外尔声子及其外面态

图3.在非传统超导AuBe合金中揭示的三重和四重拓扑外尔声子共存及其产生的极长外面拓扑声子弧态

图4.在TeO3资估中揭示的受非点式空间群保护的新型沙漏拓扑声子态，其沙漏声子形成一张互相连通的网格，并产生鼓膜类的外面态

图5.拓扑声子数据库网站www.phonon.synl.ac.cn

来源：中国科学院金属研究所