高通量筛选平带材料 发了一篇Nature

【导读】

在费米能级附近的拓扑电子平带是寻找具有非常规超导性能和绝缘状态的一种行之有效的方法。然而，该类型的实验大多局限于工程材料，比如摩尔系统。不仅寻找困难，缺乏章法，而且工程量巨大。在此，作者开创性的列出了费米能级附近为平带的材料集合系统，建立了平带材料数据库网站，可以用于高效、迅速的筛选电荷中心偏移的平带材料。

【成果掠影】

作者从无机晶体结构数据库中，通过对Topological Quantum Chemistry网站进行编排，提供了55206种材料的结构参数、空间群组、能带结构、态密度和拓扑学特征。结合材料的直接特征，对所有晶体结构进行高通量分析，发现平带结构。同时，作者分析了可能导致平带的二维或三维线图和晶格材料。

不仅如此，作者创建了一个具有强大搜索功能的材料平带数据库网站，用于未来的理论和实验研究。作者利用该数据库提取了一份含有2379种高质量平带材料的列表，从中确定了345种有前景的备选材料，这些材料电荷中心与原子点发生明显偏移，具备承载平带的潜质。同时，作者展示了五种有代表性的材料，通过S矩阵法对费米能级附近的平带起源进行了理论解释。

【核心创新点】

作者开创性的列出了一个费米能级附近为平带的材料集合系统，创立了平带材料数据库网站，可以用于高效、迅速的筛选潜在的电荷中心与原子点明显偏移的平带材料。

【数据概览】

图1：三种可能的平带类型示意图

a，FABs：与平带相关的Wannier函数在原子位点上呈指数级定位。

b，FTBs：Bloch状态在晶格的至少一个方向上被扩展（可能存在指数衰减）。

c，FOAB：与FABs相反，相应的Wannier函数是空位上的指数级定位。

二维晶格的原子位点用红色球体表示。晶格下方是与其衰变规律相关的平带位置r的Bloch波函数，其中R_i是原子i的位置，t是晶格矢量，α是正相关系数。

图2：典型平带材料的晶体和能带结构。

a-e, (a) KAg(CN)₂的晶体结构：它包含银原子（红色）形成的近似的Kagome亚晶格。(b) Pb₂Sb₂O₇的晶体结构：Pb原子位于Wyckoff位置16d，形成了一个焦宝石亚晶格。（c）Rb₂CaH₄的晶体结构，H原子位于4c位置（黄色的H¹原子），而Ca原子在2a位置形成一个Lieb亚晶格。（d）Ca₂NCl的晶体结构：它是由Ca₂N和Cl交替堆叠形成，经过计算，Ca₂N层被确定为一个双子晶格。（e）WO₃的晶体结构：W原子和O原子为裂分晶格。

f-j,每种材料的能带结构和平带的轨道特征图及分析。

通过对能带结构分析，对费米能级附近的平带用S矩阵方法进行了深入研究。

晶体结构图上方为材料的SG、化学式和亚晶格宿主的类型。带状结构图中，接近费米水平的平带段由绿色虚线表示，彩色带的轨道特征在图片上方。

五、【成果启示】

作者对费米级附近的平带进行了高通量筛选，寻找在费米级附近的平带，并从随机的晶体结构中检测线图和双子结构中的亚晶格。所得结果都可以在材料平带数据系统中完美匹配。这些材料结合了拓扑结构和相互作用，会导致奇异的量子现象，如磁性、非费米液体行为和超导性。该实验结果为未来的理论和实验研究铺平了道路。

Nicolas Regnault, Yuanfeng Xu, Ming-Rui Li, Da-Shuai Ma, Luis Elcoro, Zhi-Da Song, B. Andrei Bernevig为论文做出了同等贡献。美国普林斯顿大学物理系Nicolas Regnault，B. Andrei Bernevig教授与德国马普所Xu Yuanfeng为论文共同通讯作者，该论文以“Catalogue of flat-band stoichiometric materials”为题在线发表。

本文由Iron-man供稿。