Vật liệu tô pô, một loại vật liệu kỳ lạ có bề mặt thể hiện các tính chất điện hoặc chức năng khác với phần bên trong của chúng, là một lĩnh vực nghiên cứu nóng hổi kể từ khi chúng được thực hiện bằng thử nghiệm vào năm 2007 – một phát hiện đã châm ngòi cho các nghiên cứu sâu hơn và mang lại giải Nobel Vật lý năm 2016.
Những vật liệu này được cho là có tiềm năng to lớn trong nhiều lĩnh vực khác nhau và một ngày nào đó có thể được sử dụng trong các thiết bị quang học hoặc điện tử cực kỳ hiệu quả hoặc các thành phần chính của máy tính lượng tử.
>> Tham khảo: Đột phá mới trong truyền dẫn thông tin quang học.
Nhưng có hàng nghìn hợp chất về mặt lý thuyết có thể có các đặc điểm tô pô, và việc tổng hợp và thử nghiệm dù chỉ một vật liệu như vậy để xác định các đặc tính tô pô của nó có thể mất hàng tháng thử nghiệm và phân tích.
Giờ đây, một nhóm các nhà nghiên cứu tại MIT và các nơi khác đã đưa ra một phương pháp mới có thể nhanh chóng sàng lọc các tài liệu ứng cử viên và xác định với độ chính xác hơn 90% xem chúng có phải là cấu trúc liên kết hay không.
Sử dụng phương pháp mới này, các nhà nghiên cứu đã tạo ra một danh sách các tài liệu ứng cử viên. Một số trong số này đã được biết là có các thuộc tính tô pô, nhưng phần còn lại mới được dự đoán bằng phương pháp này.
Những phát hiện được báo cáo trên tạp chí Advanced Materials trong một bài báo của Mingda Li, Giáo sư Phát triển Nghề nghiệp Lớp ’47 tại MIT, các sinh viên tốt nghiệp (và chị em sinh đôi) Nina Andrejevic tại MIT và Jovana Andrejevic tại Đại học Harvard, và bảy người khác tại MIT, Harvard, Đại học Princeton và Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne.
>> Tham khảo: Quang xúc tác: Các quá trình phân tách điện tích được ghi lại bằng thực nghiệm.
Các vật liệu tô pô được đặt tên theo một nhánh toán học mô tả các hình dạng dựa trên các đặc điểm bất biến của chúng, những đặc điểm này vẫn tồn tại cho dù một vật thể liên tục bị kéo căng hoặc ép ra khỏi hình dạng ban đầu của nó như thế nào.
Tương tự như vậy, các vật liệu tô pô có các thuộc tính không đổi bất chấp những thay đổi trong điều kiện của chúng, chẳng hạn như nhiễu loạn bên ngoài hoặc tạp chất.
Có một số loại vật liệu cấu trúc liên kết, bao gồm chất bán dẫn, chất dẫn điện và bán kim loại, trong số những loại khác. Ban đầu, người ta cho rằng chỉ có một số ít vật liệu như vậy, nhưng lý thuyết và tính toán gần đây đã dự đoán rằng trên thực tế, hàng nghìn hợp chất khác nhau có thể có ít nhất một số đặc điểm tô pô. Phần khó khăn là tìm ra bằng thực nghiệm những hợp chất nào có thể là cấu trúc liên kết.
Các ứng dụng cho các vật liệu như vậy trải rộng trên phạm vi rộng, bao gồm các thiết bị có thể thực hiện các chức năng tính toán và lưu trữ dữ liệu tương tự như các thiết bị dựa trên silicon nhưng tổn thất năng lượng ít hơn nhiều hoặc các thiết bị thu điện hiệu quả từ nhiệt thải, ví dụ như trong các nhà máy nhiệt điện hoặc trong các thiết bị điện tử.
Các vật liệu tôpô cũng có thể có các đặc tính siêu dẫn, có khả năng được sử dụng để xây dựng các bit lượng tử cho các máy tính lượng tử tôpô.
>> Tham khảo: Sự tiến hóa của rễ cây có thể đã dẫn đến sự tuyệt chủng hàng loạt.
Nhưng tất cả những điều này phụ thuộc vào việc phát triển hoặc khám phá các vật liệu phù hợp. “Để nghiên cứu một vật liệu tôpô, trước tiên bạn phải xác nhận xem vật liệu đó có phải là tôpô hay không,” Li nói, “và phần đó là một vấn đề khó giải quyết theo cách truyền thống.”
Một phương pháp gọi là lý thuyết hàm mật độ được sử dụng để thực hiện các tính toán ban đầu, sau đó cần phải thực hiện các thí nghiệm phức tạp đòi hỏi phải cắt một mảnh vật liệu thành độ phẳng cấp nguyên tử và thăm dò nó bằng các dụng cụ trong điều kiện chân không cao.
Nina Andrejevic nói: “Hầu hết các vật liệu thậm chí không thể đo lường được do nhiều khó khăn kỹ thuật. Nhưng đối với những người có thể, quá trình này có thể mất nhiều thời gian. “Đó là một thủ tục thực sự khó khăn,” cô nói.
Trong khi phương pháp truyền thống dựa vào việc đo quang phát xạ của vật liệu hoặc các electron chui hầm, Li giải thích, kỹ thuật mới mà ông và nhóm của mình đã phát triển dựa trên sự hấp thụ, cụ thể là cách vật liệu hấp thụ tia X.
Không giống như thiết bị đắt tiền cần thiết cho các thử nghiệm thông thường, máy quang phổ hấp thụ tia X luôn sẵn có và có thể hoạt động ở nhiệt độ phòng và áp suất khí quyển mà không cần chân không.
Các phép đo như vậy được tiến hành rộng rãi trong sinh học, hóa học, nghiên cứu pin và nhiều ứng dụng khác, nhưng trước đây chúng chưa được áp dụng để xác định các vật liệu lượng tử tôpô.
>> Tham khảo: Xây dựng vi khuẩn để giữ cho chúng ta khỏe mạnh.
Quang phổ hấp thụ tia X cung cấp dữ liệu quang phổ đặc trưng từ một mẫu vật liệu nhất định. Thách thức tiếp theo là giải thích dữ liệu đó và cách nó liên quan đến các thuộc tính cấu trúc liên kết.
Để làm được điều đó, nhóm đã chuyển sang một mô hình học máy, cung cấp một tập hợp dữ liệu về quang phổ hấp thụ tia X của các vật liệu tôpô và phi tôpô đã biết, đồng thời đào tạo mô hình để tìm ra các mẫu liên quan đến cả hai. Và nó thực sự đã tìm thấy những mối tương quan như vậy.
“Đáng ngạc nhiên là phương pháp này chính xác đến hơn 90% khi được thử nghiệm trên hơn 1500 vật liệu đã biết,” Nina Andrejevic nói, đồng thời cho biết thêm rằng các dự đoán chỉ mất vài giây. “Đây là một kết quả thú vị do sự phức tạp của quy trình thông thường.”
Mặc dù mô hình hoạt động, cũng như nhiều kết quả từ học máy, các nhà nghiên cứu vẫn chưa biết chính xác lý do tại sao nó hoạt động hoặc cơ chế cơ bản liên kết sự hấp thụ tia X với các đặc tính cấu trúc liên kết. Jovana Andrejevic nói: “Mặc dù chức năng đã học liên quan đến phổ tia X với cấu trúc liên kết rất phức tạp, nhưng kết quả có thể gợi ý rằng một số thuộc tính nhất định mà phép đo nhạy cảm, chẳng hạn như cấu trúc nguyên tử cục bộ, là các chỉ số cấu trúc liên kết chính”.
Nhóm đã sử dụng mô hình này để xây dựng một bảng tuần hoàn hiển thị độ chính xác tổng thể của mô hình đối với các hợp chất được tạo ra từ mỗi nguyên tố. Nó phục vụ như một công cụ giúp các nhà nghiên cứu tập trung vào các họ hợp chất có thể mang lại các đặc tính phù hợp cho một ứng dụng nhất định.
>> Tham khảo: Các cơ chế biểu sinh để kích hoạt gen đặc hiệu của cha mẹ được giải mã.
Các nhà nghiên cứu cũng đã thực hiện một nghiên cứu sơ bộ về các hợp chất mà họ đã sử dụng phương pháp tia X này mà không cần biết trước về trạng thái cấu trúc liên kết của chúng và biên soạn một danh sách gồm 100 vật liệu ứng cử viên đầy hứa hẹn — một vài trong số đó đã được biết đến là cấu trúc liên kết .
Nhóm nghiên cứu bao gồm Andrei Bernevig và Nicolas Regnault tại Đại học Princeton, Fei Han và Thanh Nguyen và Nathan Drucker tại MIT, Chris Rycroft tại Đại học Harvard và Gilberto Fabbris tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne. Công trình được hỗ trợ bởi Bộ Năng lượng Hoa Kỳ và Quỹ Khoa học Quốc gia.
