怎樣才能讓我們的電子產(chǎn)品更智能、更快、更有彈性?答案是用拓?fù)洳牧蠘?gòu)建它們。據(jù)最近一期《科學(xué)》雜志發(fā)表的一篇論文，一個國際研究團(tuán)隊利用多臺超級計算機(jī)，繪制了96000多種天然和合成晶體材料的電子結(jié)構(gòu)圖。他們應(yīng)用復(fù)雜過濾器來確定每個結(jié)構(gòu)中是否存在以及存在什么樣的拓?fù)涮卣鳎Y(jié)果發(fā)現(xiàn)90%的已知晶體結(jié)構(gòu)都包含至少一種拓?fù)涮匦裕^50%的天然材料表現(xiàn)出某種拓?fù)湫袨椤?/p>
由西班牙多諾斯蒂亞國際物理中心和美國普林斯頓大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的國際研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)，近90%的材料都擁有遠(yuǎn)離其固有電子數(shù)的拓?fù)潆娮討B(tài)，即費米能級。盡管這些狀態(tài)在許多實驗探針中處于休眠狀態(tài)，但它們?nèi)匀豢赏ㄟ^化學(xué)摻雜、靜電門控、靜水壓力和光激發(fā)光譜等技術(shù)直接獲得。
研究發(fā)現(xiàn)，2%的已知材料是“超拓?fù)涞?rdquo;，即緊密結(jié)合的核心電子之上的每個電子帶都是拓?fù)涞摹Ｔ诒缓鲆暤某負(fù)洳牧现校G是歷史上研究最充分的固態(tài)材料之一。
團(tuán)隊將新確定的材料編譯成一個可免費訪問的拓?fù)洳牧蠑?shù)據(jù)庫，類似于“拓?fù)渲芷诒?rdquo;。有了這個新數(shù)據(jù)庫，科學(xué)家們可快速搜索感興趣的材料，尋找它們可能擁有的任何拓?fù)涮匦裕⒗盟鼈儊順?gòu)建超低功耗晶體管、新型磁存儲器和其他具有強(qiáng)大電子特性的設(shè)備。
研究人員查看了無機(jī)晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫包括在自然界中發(fā)現(xiàn)的材料，以及在實驗室中合成的材料，其也是目前世界上最大的材料數(shù)據(jù)庫，包含超過193000個晶體，相關(guān)結(jié)構(gòu)已被繪制和表征。從高通量分析中，研究團(tuán)隊很快發(fā)現(xiàn)了大量自然拓?fù)洳牧希瑹o需任何實驗操作，它們即可表現(xiàn)出某種強(qiáng)大的電子行為。他們還發(fā)現(xiàn)，少數(shù)材料在暴露于特定條件時包含一種以上的拓?fù)錉顟B(tài)。
研究人員表示，“以新的視角重新審視以前的實驗是驚人的第一步，但我們可以展望一個更令人興奮的未來，在拓?fù)洳牧蠑?shù)據(jù)庫和拓?fù)淞孔踊瘜W(xué)的基礎(chǔ)上，通過人類直覺和人工智能的結(jié)合，設(shè)計出具有先進(jìn)功能的材料”。
【總編輯圈點】
數(shù)學(xué)無處不在，萬物皆可拓?fù)洹４饲埃碚撐锢韺W(xué)家指出，看起來所有材料都存在某種拓?fù)鋺B(tài)。當(dāng)本來屬于幾何領(lǐng)域的拓?fù)涓拍钸M(jìn)入物理世界，物質(zhì)相變就更加“靈動”多樣。此次，科研人員用超級計算機(jī)繪制了96000多種天然和合成晶體材料的電子結(jié)構(gòu)圖，篩選出了各種已知的拓?fù)湎啵o后人的研究，樹立了更加清晰的指引路牌。它相當(dāng)于告訴人們，哪些材料具備哪些潛力，就看科研人員能否用合適的方法挖掘或者設(shè)計出來了。正如研究人員所說，它可以讓我們展望一個更令人興奮的未來。
(記者張夢然)
