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usdt交易所(www.caibao.it):盘算和数据驱动的拓扑声子质料研究获希望

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原题目:盘算和数据驱动的拓扑声子质料研究获希望

声子是凝聚态物质中最常见的粒子之一,是晶格振动的能量量子化的体现,团体引发的准粒子,与质料的热学、光学、电学和力学等基本物性密切相关。2017年前,从拓扑绝缘体,拓扑半金属到拓扑超导,拓扑电子质料的研究引领了前沿,关于固体质料的拓扑声子尚未研究。与其他系统的拓扑物性一样,因拓扑性的珍爱声子会在质料外面或边缘引发非平庸拓扑声子态,能量和信号可沿着特定拓扑声子模式定向输运,其抗干扰和散射能力强,可实现低耗散传输,由此展现出奇异物性,具有广漠的应用远景。

中国科学院金属研究所沈阳质料科学国家研究中心质料设计与盘算研究部与互助者,设计研发出高通量盘算与大数据手艺相互融合和迭代的拓扑声子质料盘算算法和软件HT-PHONON,从1万3千多个质料中筛选出5千多个拓扑声子质料,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质料,并说明其存在的机制。而此前,仅有10多种拓扑声子质料被理论展望。克日,相关研究成果以Computationand data driven discovery of topological phononicmaterials为题,揭晓在Nature Communications上,并入选Editors’ Highlights。

与电子差别的是,声子系统不受泡利不相容原理的限制,也没有费米能级的限制。基于这一熟悉,拓扑声子质料比拓扑电子质料更普遍;若何通过高通量盘算在数以万计的现实质料中高效地描绘出质料的拓扑声子态是亟须解决的问题。面临两个难题:第一,声子的盘算耗时耗力,无论是使用密度泛函微扰理论照样使用有限位移法,通过第一性原理无人为干预下准确盘算大量质料的声子力常数具有挑战性;第二,声子拓扑不变量的盘算,由声子力常数构建动力学矩阵,依据差别的拓扑不变量的举行分类到描绘拓扑外面态,声子遵守玻色爱因斯坦统计无费米能限制,全频域拓扑剖析要比只关注费米能级的电子系统凌驾多个数量级,高效的拓扑剖析是另一挑战。

科研人员优化了拓扑不变量的盘算实现高效、便捷的拓扑剖析,开发出高通量拓扑声子盘算软件包HT-PHONON,从声子力常数到拓扑不变量的盘算剖析,从拓扑声子正确位置到种别描绘,从拓扑特征到外面态,并分类入库实现了一套高通量全自动的盘算框架。在这一过程中,科研人员还发现了新颖的拓扑声子质料,如大数据剖析到的322个清洁的拓扑外尔声子质料、沙漏型拓扑声子质料和多重外尔声子质料等;进一步论述了差别种别的拓扑声子发生的条件和它们彼此之间的关联,澄清了时间反演或空间反演对称破缺、或非点式空间群(螺旋轴或滑移反映面)等操作对发生奇异拓扑声子态的关键作用和相互关系;在TeO3等质料中展现受非点式空间群珍爱的沙漏型拓扑声子;在LiCaAs和ScZn等质料中展现恰幸亏声学支和光学支接触处存在的拓扑声子态,具有显著的抑制声子散射作用;在非传统超导体AuBe中发现三重和四重外尔声子共存,外面会发生极长的受拓扑珍爱的声子弧态等新颖的拓扑声子质料,未来将有更多有趣的拓扑声子值得去探索。

现在,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,建成了拓扑声子质料数据库,包含了该事情的5014个质料共30多万条数据(www.phonon.synl.ac.cn),可在线查询和使用。该事情仍在生长中,由于质料声子的盘算耗时耗力,高通量盘算仍需2-3年时间,预计最终到达3万个拓扑声子质料数据的规模。拓扑声子数据库的构建解决了声子力常数获取难的问题,并为质料声子和拓扑声子的研究提供了理想备选质料,从而推动该领域的生长。

该研究主要由金属所沈阳质料科学国家研究中心完成,并与美国内华达拉斯维加斯大学互助。金属所研究员陈星秋和美国内华达拉斯维加斯大学助理教授QiangZhu为论文通讯作者。论文作者包罗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学博士生Stanley A.Baronett。研究事情获得国家自然科学基金委员会和沈阳质料科学国家研究中心等的资助。

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图1.大数据展现的拓扑声子质料的分类和它们之间的关系

图2.在半Huseler合金LiCaAs家族质料中展现的在声学支极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合金中展现的三重和四重拓扑外尔声子共存及其发生的极长外面拓扑声子弧态

图4.在TeO3质料中展现的受非点式空间群珍爱的新型沙漏拓扑声子态,其沙漏声子形成一张相互连通的网格,并发生鼓膜类的外面态

图5.拓扑声子数据库网站www.phonon.synl.ac.cn

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