马克斯·普朗克学会 本研究发现了一种理想磁性拓扑绝缘体NpBi的边界态
学分:微观结构物理MPI 非磁性晶体的电子结构可以用完整的能带拓扑理论来分类，让人想起“拓扑周期表”
“然而，迄今为止，磁性材料的这种分类一直难以捉摸，因此迄今为止，很少发现磁性拓扑材料
在《自然》杂志上发表的一项新研究中，一个国际研究小组首次对磁性拓扑材料进行了高通量搜索，发现了100多种新的磁性拓扑绝缘体和半金属
元素周期表根据化学性质对元素进行分类，如电子数或电负性
这种分类导致了对新元素的预测和随后的发现
类似地，非磁性结晶固体的电子结构——以规则间距排列的元素集合——最近已经通过基于拓扑量子化学和基于对称性的指示器的完整理论的“拓扑周期表”进行了分类
基于电子波函数的拓扑结构，成千上万的非磁性拓扑材料被鉴定出来，导致了成千上万新的拓扑绝缘体的发现
与它们的非磁性对应物不同，磁性化合物目前无法通过自动拓扑方法进行分类
相反，对磁性拓扑材料的研究一直是临时进行的，并受到它们作为有效的热电转换器、可以作为量子计算机核心的微电子器件中的节能组件或改进的磁存储介质的潜在应用的推动
然而，尽管20世纪80年代初拓扑材料及其性质的第一次理论研究是在磁系统中进行的——这一努力与2016年诺贝尔物理学奖相得益彰，但过去40年拓扑材料发现的进展主要来自非磁性拓扑绝缘体和半金属领域
候选磁性拓扑材料的相对缺乏可归因于磁性晶体的复杂对称性，以及建模和测量量子磁体所涉及的理论和实验困难
首先，尽管在已建立的数据库中，成千上万的已知化合物可以通过它们的晶体结构进行搜索，但在最大的磁性材料数据库中，只有数百种实验测量的磁性结构可用
第二，尽管非磁性结构仅被划分为230个空间组，磁性材料被划分为1421个磁性空间组
“除此之外，在所有的磁系统中，我们还必须担心电子-电子相互作用的影响，这是众所周知的难以建模
这使得预测磁性拓扑材料的任务变得更加复杂，即使这些数字更有利，”B说
普林斯顿大学的物理学教授安德烈·贝纳维格是这项旨在解决这一问题的研究的作者之一
在发表在《自然》杂志上的这项研究中，一个国际研究小组朝着发现具有非平凡拓扑电子性质的磁性材料迈出了一大步
“磁性材料中能带拓扑的分类和诊断有效地结束了40年前开始的循环，该领域的相关性得到了1985年和2016年诺贝尔物理学奖的加强，”作者克劳迪娅·费尔瑟说，她是德累斯顿马克斯·普朗克研究所的主任
2017年，来自普林斯顿大学、巴斯克地区大学、马克斯·普朗克研究所和DIPC的一组研究人员对非磁性材料中的能带结构有了新的、完整的了解
“在这个理论——拓扑量子化学(TQC)——中，我们将材料的拓扑特征与其基础化学联系起来
毕尔巴鄂巴斯克地区大学教授、两项研究的合著者路易斯·埃尔科罗说:“这使得对非磁性拓扑材料的搜索可以有效地自动化。”
TQC代表了预测和表征所有可能的能带结构和晶体化学计量材料的通用框架
TQC进一步应用于35，000种实验确定的非磁性化合物，导致15，000种新的非磁性拓扑材料的发现
“在过去的两年中，我们已经鉴定了数千种拓扑材料，而在过去的二十年中，我们只鉴定了几百种
在应用这些新工具之前，寻找具有这些惊人特性的新材料就像在暮色中大海捞针
现在，寻找非磁性拓扑材料几乎成了一项常规工作，”伊克尔巴斯克科学基金会和DIPC大学的助理教授、两项研究的合著者玛雅·韦尔涅奥里说
目前的研究越来越集中在磁性化合物上
很少有磁性材料被理论上提出来作为反铁磁磁性拓扑相的主体，只有少数被实验进一步证实
“要在磁性材料的研究中取得相当的成功，就需要一种相当于全面质量管理的理论
然而，因为有一千多个磁对称群需要考虑，这个问题本质上是靠蛮力无法解决的，”麻省理工学院和普林斯顿大学的博士后研究员、本研究的作者本杰明·维德说
研究人员在复制非磁性材料的成功过程中面临两个主要障碍:一方面，必须阐明分析给定磁性材料能带拓扑所需的理论机制
“我们将整套工具视为一个建筑
普林斯顿的博士后研究员、这项新研究的作者宋志达说:“虽然非磁性材料代表了一个坚固的联排别墅，但磁性材料的完整理论实际上是一座未完工的摩天大楼。”
对于拓扑材料发现，另一个问题是磁性材料的数量相当少，其磁性结构在可靠的细节上是已知的
“尽管我们有20万种非磁性化合物需要分析，但最大的实验测量磁性结构数据库大约有1000个条目
作者尼古拉斯·雷尼奥补充道，他是CNRS高等师范学院的教授
“幸运的是，毕尔巴鄂晶体学服务器的磁性结构数据库背后的人们辛勤工作，使我们能够将正确的初始数据输入到我们的理论模型中，”哈雷马克斯·普朗克研究所博士后研究员、目前这项研究的第一作者徐元峰说
磁性信息被托管在毕尔巴鄂晶体学服务器中，该服务器部分由教授开发
埃尔科罗
在选择了最好的潜在候选之后，研究小组分析了549个磁性结构，首先应用从头计算方法获得电子波函数的磁性对称性，然后构建了TQC的磁性扩展来确定哪些磁性结构具有非平凡的电子能带拓扑
“最后，我们发现自然界中拓扑磁性材料的比例(549种中的130种)似乎与非磁性化合物中的比例相似，”Dr
分
尽管相对于迄今为止所研究的数以千计的非磁性材料，磁性化合物的绝对数量较低，但作者发现了更大的多样性的迷人特征
“有趣的实验研究，如控制拓扑相变，旋钮的数量似乎在磁性材料中更多，”博士说
分
“既然我们已经预测了新的磁性拓扑材料，下一步就是实验验证它们的拓扑性质，”作者陈昱霖补充说，他是牛津和上海理工大学的教授
研究人员还创建了一个在线数据库，用于自由访问本研究的结果
拓扑量子化学
fr/磁性
使用不同的搜索工具，用户可以探索500多个分析磁性结构的拓扑属性
“我们已经奠定了拓扑磁结构目录的基础
“在实验和理论环境中使用磁对称性的标准化，伴随着在这项工作中开发的工具的广泛采用，预计将在未来几年中导致磁性拓扑材料的更大规模的发现，”Bernevig说
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