2019年度の9号目のネイチャーのハイライトより。
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物性物理学：トポロジカル物質のカタログ
Nature 566, 7745
2019年2月28日
物性物理学：トポロジカル物質のカタログ
Nature 566, 7745
2019年2月28日
物理学と対称性には深いつながりがあるが、この20年間でトポロジーとの強い関係性が明らかになっている。物質の電子構造はさまざまなトポロジカルクラスに属する可能性があり、非自明なトポロジーを持つ物質は、物質の内部は絶縁性でも表面は導電性であるといったロバストな非従来型の特性を特徴とすることが多いことが、今では分かっている。トポロジカル絶縁体が実験的に発見されて以来、トポロジカルであることが明らかになった物質の数は着実に増えているものの、まだ比較的少ない。しかし、C Fangたち、Z Wangたち、A Vishwanathたちの3つの研究チームは今回、トポロジカル量子化学に基づくアルゴリズムを開発することによって、結晶データベースを検索し、トポロジカル物質の数を大幅に拡大して、数千種のトポロジカル物質候補を特定した。非自明なトポロジーを持つ新たに発見されたこれらの候補物質によって、電子デバイスにトポロジカル物質を利用する幅広い可能性が開かれ、トポロジーが結晶データベースの一部となることは確実である。
Article p.475
Article p.480
Article p.486
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今回は論文3本です。
1つめ・・・。
本論文においては、日本語版本誌では、「物性物理学：トポロジカル電子物質のカタログ」と題されています。
フルテキストを直訳しますと・・・
トポロジカル電子材料のカタログ
となり、Abstractを直訳しますと・・・
セレン化ビスマス、ヒ化タンタル、ビスマス化ナトリウムなどのトポロジカル電子材料は、バルクで異常な線形応答を示し、境界で異常なギャップレス状態を示します。それらは、基本的な関心と応用的な関心の両方を持ち、高性能エレクトロニクスと量子コンピューティングで使用される可能性があります。しかし、これまでのところ、それらの検出は、材料の経験と高度な理論ツールの専門知識の両方を必要とする位相不変特性（または位相ノード）の計算の難しさによって妨げられてきました。ここでは、非磁性材料の大部分の非自明なバンドトポロジを診断する、効果的で効率的かつ完全に自動化されたアルゴリズムを紹介します。私たちのアルゴリズムは、占有帯域の対称表現とトポロジカル不変量との間で最近開発された網羅的なマッピングに基づいています。結晶データベースで利用可能な合計39,519の材料を調べてみると、そのうちの8,056もの材料がトポロジ的に重要であることがわかりました。すべての結果は、対話型ユーザーインターフェイスを備えたデータベースで利用可能で検索可能です。
となります。Mainを直訳しますと・・・
固体の対称性とトポロジーは、現代の物理学における概念の絡み合ったペアです。 2005年以来、理論家[1,2,3]は、時間反転対称性の存在下で、原子絶縁体から大きく逸脱する絶縁体（または一般に有限の励起ギャップを持つ非縮退基底状態）があることを認識しています。これらの新しい特別な絶縁体は、新しいグローバルな良好な量子数であるZ_2不変式[4,5]によって定量化された、電子バンド構造の自明でないトポロジをホストします。この不変量は0または1の値を取り、ブリルアンゾーン全体の価電子帯の波動関数に依存します。
Z_2不変量との時間反転対称性によって保護されたトポロジカル絶縁体は、次の10年で初めてトポロジカルマテリアルのファミリ全体の最初のメンバーになりました。トポロジ不変量は、すべてのトポロジ材料の定義プロパティであり、それらはシステムの次元と対称性に依存し、依存するだけの異なる形式をとることができることが理解されています[6,7,8]。これらの対称性は、時間反転や粒子ホール交換などのオンサイト対称性から、translation[3]、reflection[9]、rotation[10,11,12]、nonsymmorphic symmetries[13,14]などの空間対称性にまで及び、それぞれが独立したトポロジ不変量をもたらします。したがって、特定の結晶のトポロジの完全な特性評価は、対応する空間グループのすべての要素によって保護されているすべての不変量のリストになります。
この一連の調査と並行して、トポロジカル半金属の分野が出現しました[15,16,17,18,19,20]。伝導帯と価電子帯はバンド交差を持ちます。つまり、対称性によって除去できないトポロジカルノードです。 -摂動の保存。ノードの縮退と次元に応じて、トポロジカルセミメタルは、ノードポイントセミメタルとノードラインセミメタルにさらに分類できます。トポロジカルセミメタルは、すべてのバンド交差の数とタイプによって特徴付けられます[21]。
したがって、トポロジカル材料の数値予測には、すべてのトポロジカル不変量の評価、またはすべてのトポロジカルノードの識別が必要であり、どちらも計算に関与します[22]。いくつかの位相不変式の表現は、直接評価のために非常に複雑です[13,23,24]。また、いくつかの不変式は、厳密な形式の式[10,11,12]さえありません。この課題により、人々はトポロジカルマテリアルの大規模で包括的な検索を実行できなくなり、成功例は主に研究者の経験と直感に帰せられました。
トポロジカル量子化学の理論25および対称ベースのインジケータ[26]の理論に従って、一連の最近の理論的研究は、価電子帯の既約表現をトポロジカル不変量[27,28,29]およびトポロジカルノード[30]に完全にマッピングすることにより状況を大幅に改善しました。これらの理論は第一原理数値手法と融合できることを認識し、大規模な材料データベースをスキャンするために容易に使用できる完全自動化された検索アルゴリズムを開発しました。
となります。今回は3本あるので直訳はここまでとします。
フルテキストは下記です。
Full Text：Article p.475
Data availabilityによりますと・・・
すべての結果は、http：//materiae.iphy.ac.cnの対話型ユーザーインターフェイスで検索および検索できます。既約表現を取得するためのコードは、合理的な要求に応じて対応する著者から入手できます。
2つ目に入ります。
本論文においては、日本語版本誌では、「物性物理学：高品質なトポロジカル物質の完全なカタログ」と題されています。
フルテキストを直訳しますと・・・
高品質のトポロジカル材料の完全なカタログ
となり、Abstractを直訳しますと・・・
トポロジカル量子化学と呼ばれる最近開発された形式を使用して、新しいトポロジカルを識別するために、無機結晶構造データベースで「高品質」材料（原子位置と構造が非常に正確に測定されている）のハイスループット検索を実行しますフェーズ。 26,938個の化学量論的材料のすべての対称性のすべての特性を計算するコードを開発し、3,307個のトポロジカル絶縁体、4,078個のトポロジカル半金属を見つけ、脆弱な相はありません。これらの7,385材料について、いくつかの電子特性（バンドギャップと電子数）、対称性指標、およびその他のトポロジ情報を含む電子バンド構造を提供します。私たちの結果は、自然界のすべての材料の27％以上がトポロジカルであることを示しています。マテリアルのトポロジをチェックし、他の研究者が結果を再現できるようにするオープンソースコードを提供します。
となります。
フルテキストは下記です。詳細が必要な方はご購入をお願いいたします。
Full Text：Article p.480
Data availabilityによりますと・・・
すべてのデータは、補足情報で入手できます。
3つ目に入ります。
本論文においては、日本語版本誌では、「物性物理学：対称性指標を用いるトポロジカル物質の包括的探索」と題されています。
フルテキストを直訳しますと・・・
対称性指標を使用したトポロジカル材料の包括的な検索
となり、Abstractを直訳しますと・・・
過去10年間で、バルク材料の電子バンドのトポロジが堅牢で型破りな表面状態と電磁気学をもたらすトポロジカル材料が大きな注目を集めています。いくつかの理論的に提案されたトポロジカル材料が実験的に確認されていますが、トポロジカル特性の広範な実験的探索と現実的なデバイスへの応用は、些細なフェルミ表面状態からの干渉が最小限に抑えられるトポロジカル材料の不足により制限されています。ここでは、対称性インジケータの方法を、考えられるすべての230個の空間グループのすべての適切な非磁性化合物に適用します。データベース検索により、数千のトポロジカル材料候補が明らかになり、そのうちの241個のトポロジカル絶縁体と142個のトポロジカル結晶絶縁体が強調表示されます。さらに、Fermiレベルの近くにバンド交差点がある692のトポロジカルセミメタルをリストします。これらの候補材料は、次世代電子デバイスでトポロジカル材料を使用する可能性を開きます。
となります。
フルテキストは下記です。詳細が必要な方はご購入をお願いいたします。
Full Text：Article p.486
Data availabilityによりますと・・・
この作業の結論を裏付けるすべてのデータは、合理的な要求に応じて、対応する著者から要求される可能性があります。トポロジカルマテリアルのすべての構造とその電子エネルギーバンドプロットは、ccmp.nju.edu.cnにあります。
究極に溜まりに溜まったネイチャー。次回は、「発生生物学：発生中のマウスについての単一細胞アトラス」を取り上げます。
※巡回等ブログ活動が大変遅れており、本当に申し訳ございません。
