高通量篩選平帶材料 發了一篇Nature

【導讀】

在費米能級附近的拓撲電子平帶是尋找具有非常規超導性能和絕緣狀態的一種行之有效的方法。然而，該類型的實驗大多局限于工程材料，比如摩爾系統。不僅尋找困難，缺乏章法，而且工程量巨大。在此，作者開創性的列出了費米能級附近為平帶的材料集合系統，建立了平帶材料數據庫網站，可以用于高效、迅速的篩選電荷中心偏移的平帶材料。

【成果掠影】

作者從無機晶體結構數據庫中，通過對Topological Quantum Chemistry網站進行編排，提供了55206種材料的結構參數、空間群組、能帶結構、態密度和拓撲學特征。結合材料的直接特征，對所有晶體結構進行高通量分析，發現平帶結構。同時，作者分析了可能導致平帶的二維或三維線圖和晶格材料。

不僅如此，作者創建了一個具有強大搜索功能的材料平帶數據庫網站，用于未來的理論和實驗研究。作者利用該數據庫提取了一份含有2379種高質量平帶材料的列表，從中確定了345種有前景的備選材料，這些材料電荷中心與原子點發生明顯偏移，具備承載平帶的潛質。同時，作者展示了五種有代表性的材料，通過S矩陣法對費米能級附近的平帶起源進行了理論解釋。

【核心創新點】

作者開創性的列出了一個費米能級附近為平帶的材料集合系統，創立了平帶材料數據庫網站，可以用于高效、迅速的篩選潛在的電荷中心與原子點明顯偏移的平帶材料。

【數據概覽】

圖1：三種可能的平帶類型示意圖

a，FABs：與平帶相關的Wannier函數在原子位點上呈指數級定位。

b，FTBs：Bloch狀態在晶格的至少一個方向上被擴展（可能存在指數衰減）。

c，FOAB：與FABs相反，相應的Wannier函數是空位上的指數級定位。

二維晶格的原子位點用紅色球體表示。晶格下方是與其衰變規律相關的平帶位置r的Bloch波函數，其中R_i是原子i的位置，t是晶格矢量，α是正相關系數。

圖2：典型平帶材料的晶體和能帶結構。

a-e, (a) KAg(CN)₂的晶體結構：它包含銀原子（紅色）形成的近似的Kagome亞晶格。(b) Pb₂Sb₂O₇的晶體結構：Pb原子位于Wyckoff位置16d，形成了一個焦寶石亞晶格。（c）Rb₂CaH₄的晶體結構，H原子位于4c位置（黃色的H¹原子），而Ca原子在2a位置形成一個Lieb亞晶格。（d）Ca₂NCl的晶體結構：它是由Ca₂N和Cl交替堆疊形成，經過計算，Ca₂N層被確定為一個雙子晶格。（e）WO₃的晶體結構：W原子和O原子為裂分晶格。

f-j,每種材料的能帶結構和平帶的軌道特征圖及分析。

通過對能帶結構分析，對費米能級附近的平帶用S矩陣方法進行了深入研究。

晶體結構圖上方為材料的SG、化學式和亞晶格宿主的類型。帶狀結構圖中，接近費米水平的平帶段由綠色虛線表示，彩色帶的軌道特征在圖片上方。

五、【成果啟示】

作者對費米級附近的平帶進行了高通量篩選，尋找在費米級附近的平帶，并從隨機的晶體結構中檢測線圖和雙子結構中的亞晶格。所得結果都可以在材料平帶數據系統中完美匹配。這些材料結合了拓撲結構和相互作用，會導致奇異的量子現象，如磁性、非費米液體行為和超導性。該實驗結果為未來的理論和實驗研究鋪平了道路。

Nicolas Regnault, Yuanfeng Xu, Ming-Rui Li, Da-Shuai Ma, Luis Elcoro, Zhi-Da Song, B. Andrei Bernevig為論文做出了同等貢獻。美國普林斯頓大學物理系Nicolas Regnault，B. Andrei Bernevig教授與德國馬普所Xu Yuanfeng為論文共同通訊作者，該論文以“Catalogue of flat-band stoichiometric materials”為題在線發表。

本文由Iron-man供稿。