金属所《Nature》子刊：计算和数据驱动发现拓扑声子材料！

拓扑量子态的发明，开创了凝集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范畴的三位美国物理学家，以表扬他们将拓扑引入到凝集态体系中的卓越理论供献。经由过程与自旋电子体系的类比，拓扑概念被扩大到声子，促进了拓扑声子(topological phonics, TPs)的出生。

近日，来自中科院金属所、中国科大年夜、美国内华达大年夜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办法，来计算和评估跨越10,000种真实资估中的TPs。相干论文以题为“Computation and datadriven discovery of topological phononic materials”揭橥在Nature Communications上。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-021-21293-2

近十年来，拓扑概念，对凝集态物理和材料科学中的电子能带构造理论，产生了深远的影响。从理论上提出了数千种拓扑电子材料，个中一些经由实验验证，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，可以引入声子范畴，称为拓扑声子(TPs)。特别是固体资估中的TPs，也与一些特定的原子晶格振动相干，一般在太赫兹频率范围内，从而为研究各类与玻色子相干的准粒子，供给了丰富的平台。

比来，一些真实的材料被猜测为外尔TPs、节点线TPs和节点环声子的载体。在非中间对称WC-型资估中，单外尔TPs表示出双简并的外尔点，拓扑电荷为1。在FeSi型资估中，双外尔TPs获得了猜测和实验证实。在SiO2中，同时存在单、双外尔TPs。除了在倒易空间中，占据离散地位作为外尔点外，这些带交叉点还可以持续形成节点线(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。因为拓扑保护状况不受后向散射的影响，是以在异常热传输、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、声学体系和麦克斯韦框架中，也获得了广泛研究。

在拓扑电子资估中，人们只须要存眷费米能级邻近的能量状况，而声子则不合，它表示出几种不合的特点。起首，泡利不相容道理没有限制。其次，因为热激发，每个遵守玻色-爱因斯坦统计的声子模都可以变得实际活泼。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。是以，研究TPs须要对所有声子分支进行全频率分析。到今朝为止，大年夜范围辨认TP材料仍然具有挑衅性，因为计算声子带色散比计算电子带构造要昂贵得多。是以，与比来在拓扑电子材料方面的工作比拟，在高通量(HT)计算方法下寻找可行的TP材料当然加倍艰苦。

在此，研究者提出了一个高效和完全主动化的工作流程，可以在大年夜量固体资估中筛选TP交叉点。研究者发清楚明了5014种TP材料，并将其分为两大年夜类：外尔和节点线(环)TPs。研究者说清楚明了不合伙估中单外尔、高简并外尔、单个节点线(环)、节点链、节点链和节点网TPs的物理机制及其互相关系。在声子体系中，研究者猜测了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，研究者还发明不合类型的TPs可以在很多资估中共存(如ScZn)。研究者还评论辩论了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道理图。

图2 LiCaAs的声子色散和单外尔TPs。

图3高简并外尔TPs的声子能带构造和外面态。

图4 ScZn声子的能带构造和拓扑性质。

图5 TeO3的沙漏节点网TPs。

图6 不合类型TPs之间的关系示意图。

在此，研究者开辟了一种HT和数据驱动的办法，应用现有的声子数据库和内部计算，评估跨越了10,000种资估中的TPs。该筛选注解TP状况是广泛存在的，这凸起了在各类资估中，实现TP以实现不合潜在应用的广泛可能性。是以，应用这些已知的TP资估中的拓扑声子，可以实现很多激发明象，如拓扑超导和高热电效应等。（文：水生）

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