टोपोलॉजिकल सामग्री हर जगह हैं – नया डेटाबेस 90,000 से अधिक का खुलासा करता है

टोपोलॉजिकल सामग्री डेटाबेस

एक नया खोज योग्य डेटाबेस इलेक्ट्रॉनिक गुणों के साथ 90,000 से अधिक ज्ञात सामग्रियों का खुलासा करता है जो व्यवधान की स्थिति में अप्रभावित रहते हैं। क्रेडिट: क्रिस्टीन डैनिलॉफ़, एमआईटी

खोजने योग्य उपकरण इलेक्ट्रॉनिक गुणों के साथ 90,000 से अधिक ज्ञात सामग्रियों का खुलासा करता है जो व्यवधान की स्थिति में अप्रभावित रहते हैं।

हमारे इलेक्ट्रॉनिक्स को स्मार्ट, तेज और अधिक लचीला बनने में क्या लगेगा? एक विचार उन्हें टोपोलॉजिकल सामग्रियों से बनाना है।

टोपोलॉजी गणित की एक शाखा से उपजी है जो उन आकृतियों का अध्ययन करती है जिन्हें कुछ आवश्यक गुणों को खोए बिना हेरफेर या विकृत किया जा सकता है। एक डोनट एक सामान्य उदाहरण है: यदि यह रबड़ से बना होता है, तो एक डोनट को घुमाया जा सकता है और एक कॉफी मग जैसे पूरी तरह से नए आकार में निचोड़ा जा सकता है, जबकि एक प्रमुख विशेषता को बनाए रखा जाता है – अर्थात्, इसका केंद्र छेद, जो का रूप लेता है कप का हैंडल। छेद, इस मामले में, एक टोपोलॉजिकल विशेषता है, जो कुछ विकृतियों के खिलाफ मजबूत है।

हाल के वर्षों में, वैज्ञानिकों ने समान रूप से मजबूत इलेक्ट्रॉनिक गुणों वाली सामग्रियों की खोज के लिए टोपोलॉजी की अवधारणाओं को लागू किया है। 2007 में, शोधकर्ताओं ने पहले इलेक्ट्रॉनिक टोपोलॉजिकल इंसुलेटर की भविष्यवाणी की – ऐसी सामग्री जिसमें इलेक्ट्रॉन ऐसे तरीके से व्यवहार करते हैं जो “टोपोलॉजिकल रूप से संरक्षित” होते हैं, या कुछ व्यवधानों के सामने लगातार बने रहते हैं।

तब से, वैज्ञानिकों ने बेहतर, अधिक लचीला इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के निर्माण के लक्ष्य के साथ अधिक टोपोलॉजिकल सामग्रियों की खोज की है। कुछ समय पहले तक, केवल कुछ ही ऐसी सामग्रियों की पहचान की गई थी, और इसलिए उन्हें दुर्लभ माना जाता था।

अब शोधकर्ताओं मेरे और कहीं और पता चला है कि, वास्तव में, टोपोलॉजिकल सामग्री हर जगह हैं। आपको बस यह जानने की जरूरत है कि उन्हें कैसे खोजना है।

जर्नल में 20 मई, 2022 को प्रकाशित एक पेपर में विज्ञाननिकोलस रेग्नॉल्ट के नेतृत्व वाली टीम प्रिंसटन विश्वविद्यालय और इकोले नॉर्मले सुप्रीयर पेरिस, 96, 000 से अधिक प्राकृतिक और सिंथेटिक क्रिस्टलीय सामग्रियों की इलेक्ट्रॉनिक संरचना को मैप करने के लिए कई सुपर कंप्यूटरों की शक्ति का उपयोग करने की रिपोर्ट करता है। उन्होंने यह निर्धारित करने के लिए परिष्कृत फ़िल्टर लागू किए कि प्रत्येक संरचना में किस प्रकार के स्थलीय लक्षण मौजूद हैं या नहीं।

कुल मिलाकर, उन्होंने पाया कि सभी ज्ञात क्रिस्टलीय संरचनाओं में से 90 प्रतिशत में कम से कम एक टोपोलॉजिकल संपत्ति होती है, और सभी प्राकृतिक रूप से होने वाली 50 प्रतिशत से अधिक सामग्री किसी न किसी प्रकार के टोपोलॉजिकल व्यवहार को प्रदर्शित करती है।

“हमने पाया कि एक सर्वव्यापकता है – टोपोलॉजी हर जगह है,” बेंजामिन वीडर, अध्ययन के सह-प्रमुख और एमआईटी के भौतिकी विभाग में पोस्टडॉक कहते हैं।

टीम ने नई पहचानी गई सामग्रियों को एक नए, स्वतंत्र रूप से सुलभ टोपोलॉजिकल मैटेरियल्स डेटाबेस में संकलित किया है जो टोपोलॉजी की आवर्त सारणी जैसा दिखता है। इस नए पुस्तकालय के साथ, वैज्ञानिक किसी भी टोपोलॉजिकल गुणों के लिए रुचि की सामग्री को जल्दी से खोज सकते हैं, और अल्ट्रा-लो-पावर ट्रांजिस्टर, नए चुंबकीय मेमोरी स्टोरेज और मजबूत इलेक्ट्रॉनिक गुणों वाले अन्य उपकरणों के निर्माण के लिए उनका उपयोग कर सकते हैं।

पेपर में डोनोस्टिया इंटरनेशनल फिजिक्स सेंटर के सह-प्रमुख लेखक मिया वेरग्नोरी, बास्क देश के विश्वविद्यालय के लुइस एल्कोरो, मैक्स प्लैंक इंस्टीट्यूट के स्टुअर्ट पार्किन और क्लाउडिया फेलसर और प्रिंसटन विश्वविद्यालय के आंद्रेई बर्नविग शामिल हैं।

अंतर्ज्ञान से परे

नया अध्ययन टोपोलॉजिकल सामग्री के लिए पारंपरिक खोज में तेजी लाने की इच्छा से प्रेरित था।

“जिस तरह से मूल सामग्री मिली थी वह रासायनिक अंतर्ज्ञान के माध्यम से थी, ” विडर कहते हैं। “उस दृष्टिकोण में बहुत सी शुरुआती सफलताएं थीं। लेकिन जैसा कि हमने सैद्धांतिक रूप से अधिक प्रकार के टोपोलॉजिकल चरणों की भविष्यवाणी की थी, ऐसा लग रहा था कि अंतर्ज्ञान हमें बहुत दूर नहीं ले जा रहा है। ”

Wieder और उनके सहयोगियों ने इसके बजाय सभी ज्ञात क्रिस्टलीय संरचनाओं में टोपोलॉजी, या मजबूत इलेक्ट्रॉनिक व्यवहार के संकेतों को जड़ से खत्म करने के लिए एक कुशल और व्यवस्थित पद्धति का उपयोग किया, जिसे अकार्बनिक ठोस-अवस्था सामग्री के रूप में भी जाना जाता है।

अपने अध्ययन के लिए, शोधकर्ताओं ने अकार्बनिक क्रिस्टल संरचना डेटाबेस, या आईसीएसडी को देखा, एक भंडार जिसमें शोधकर्ता क्रिस्टलीय सामग्री के परमाणु और रासायनिक संरचनाओं में प्रवेश करते हैं जिनका उन्होंने अध्ययन किया है। डेटाबेस में प्रकृति में पाई जाने वाली सामग्री के साथ-साथ वे भी शामिल हैं जिन्हें प्रयोगशाला में संश्लेषित और हेरफेर किया गया है। ICSD वर्तमान में दुनिया का सबसे बड़ा सामग्री डेटाबेस है, जिसमें 193,000 से अधिक क्रिस्टल हैं जिनकी संरचनाओं को मैप और विशेषता दी गई है।

टीम ने संपूर्ण ICSD को डाउनलोड किया, और दूषित फ़ाइलों या अपूर्ण डेटा वाली संरचनाओं को हटाने के लिए कुछ डेटा की सफाई करने के बाद, शोधकर्ताओं के पास केवल 96, 000 से अधिक प्रक्रिया योग्य संरचनाएं बची थीं। इन संरचनाओं में से प्रत्येक के लिए, उन्होंने रासायनिक घटकों के बीच संबंधों के मौलिक ज्ञान के आधार पर गणनाओं का एक सेट किया, ताकि सामग्री की इलेक्ट्रॉनिक संरचना का नक्शा तैयार किया जा सके, जिसे इलेक्ट्रॉन बैंड संरचना भी कहा जाता है।

टीम कई सुपर कंप्यूटरों का उपयोग करके प्रत्येक संरचना के लिए जटिल गणनाओं को कुशलतापूर्वक करने में सक्षम थी, जिसे उन्होंने संचालन के दूसरे सेट को करने के लिए नियोजित किया था, इस बार विभिन्न ज्ञात टोपोलॉजिकल चरणों, या प्रत्येक क्रिस्टल सामग्री में लगातार विद्युत व्यवहार के लिए स्क्रीन करने के लिए।

“हम इलेक्ट्रॉनिक संरचना में हस्ताक्षर की तलाश कर रहे हैं जिसमें इस सामग्री में कुछ मजबूत घटनाएं होनी चाहिए, ” विडर बताते हैं, जिनके पिछले काम में स्क्रीनिंग तकनीक को परिष्कृत और विस्तारित करना शामिल था, जिसे टोपोलॉजिकल क्वांटम केमिस्ट्री के रूप में जाना जाता है।

अपने उच्च-थ्रूपुट विश्लेषण से, टीम ने आश्चर्यजनक रूप से बड़ी संख्या में ऐसी सामग्रियों की खोज की जो स्वाभाविक रूप से टोपोलॉजिकल हैं, बिना किसी प्रयोगात्मक हेरफेर के, साथ ही ऐसी सामग्री जिन्हें हेरफेर किया जा सकता है, उदाहरण के लिए प्रकाश या रासायनिक डोपिंग के साथ, किसी प्रकार का मजबूत प्रदर्शन करने के लिए इलेक्ट्रॉनिक व्यवहार। उन्होंने कुछ ऐसी सामग्रियों की भी खोज की, जिनमें कुछ स्थितियों के संपर्क में आने पर एक से अधिक टोपोलॉजिकल अवस्थाएँ थीं।

3डी सॉलिड-स्टेट सामग्री में पदार्थ के टोपोलॉजिकल चरणों को विदेशी प्रभावों को देखने और हेरफेर करने के लिए स्थानों के रूप में प्रस्तावित किया गया है, जिसमें विद्युत प्रवाह और इलेक्ट्रॉन स्पिन का अंतर्संबंध, उच्च-ऊर्जा भौतिकी से विदेशी सिद्धांतों का टेबलटॉप सिमुलेशन, और यहां तक ​​​​कि, के तहत भी शामिल है। स्थितियां, क्वांटम जानकारी का भंडारण और हेरफेर, “विडर नोट्स।

इस तरह के प्रभावों का अध्ययन करने वाले प्रयोगवादियों के लिए, वीडर का कहना है कि टीम का नया डेटाबेस अब नई सामग्री का पता लगाने के लिए एक मेनेजरी का खुलासा करता है।

संदर्भ: Maia G. Vergniory, बेंजामिन J. Wieder, Luis Elcoro, Stuart SP Parkin, Claudia Felser, B. Andrei Bernevig और निकोलस Regnault द्वारा “सभी गैर-चुंबकीय स्टोइकोमेट्रिक सामग्री के सभी टोपोलॉजिकल बैंड”, 20 मई 2022, विज्ञान.
डीओआई: 10.1126 / विज्ञान.abg9094

इस शोध को आंशिक रूप से अमेरिकी ऊर्जा विभाग, राष्ट्रीय विज्ञान फाउंडेशन और नौसेना अनुसंधान कार्यालय द्वारा वित्त पोषित किया गया था।

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