怎樣才能讓我們的電子產品更智能、更迅速、更有適應性？一種想法就是用拓撲材料來制造它們。

拓撲學源于數學的一個分支，它專門研究一些可以被操縱或變形，卻不會喪失某些核心特性的形狀，比如“甜甜圈”就是一個常見的例子。


從甜甜圈到咖啡杯的拓撲轉換。(圖/Keenan Crane and Henry Segerman,Wikimedia Commons,CC BY-SA)

想象一個用橡膠制成的“甜甜圈”，它就可以被扭曲和擠壓成一個全新的形狀，同時仍然保留一個關鍵特征，也就是中心的孔洞，比如它可以轉換成一個帶手柄的咖啡杯，手柄便保留下了中心孔洞的特征。在這種情況下，這個孔就是一種拓撲特征，它對某些變形具有很強的“抵抗力”。

近年來，科學家已經將拓撲學的概念應用在發現具有類似的強大電子特性的材料上。2007年，科學家預測了第一個電子拓撲絕緣體，其中電子的行為方式是拓撲保護的，在面對某些破壞時仍可以持續存在。

自那時起，為了建造更好、更穩健的電子設備，科學家一直在尋找更多拓撲材料。但原先僅僅發現了少量類似材料，因此它們被認為非常罕見。

但近日，一組研究人員已經發現，拓撲材料其實無處不在，重要的是需要知道如何尋找它們。在《科學》雜志上的一篇論文中，團隊報道他們利用多臺超級計算機，繪制了96000多種天然和合成晶體材料的電子結構。

他們應用復雜的過濾器來確定每種結構中是否存在拓撲特征以及哪種特征。總的來說，他們發現，所有已知的晶體結構中，有9成至少包含一種拓撲特性，而所有自然發生的材料中，半數以上都會表現出某種拓撲行為。

超越直覺的搜索 
過往，科學家發現原始材料的方式通常是依賴化學直覺。這種方法在早期帶來了很多成功的例子，但是，隨著理論預測出了更多種類的拓撲相時，直覺似乎并沒有能幫助我們走得很遠。

這項新研究的動機正是希望加快對拓撲材料的搜索。研究團隊想找到一種高效且系統的方法，在所有已知的晶體結構(無機固態材料)中找出拓撲結構的跡象，也就是穩健的電子行為。

研究人員首先著眼于無機晶體結構數據庫(ICSD)。這個數據庫包含了大量過往研究過的晶體材料的原子和化學結構，囊括了在自然界中發現的材料，也有那些在實驗室中被合成和操縱的材料。它是目前世界上最大的材料數據庫，包含了超過193000種晶體，它們的結構都已被繪制并表征。

團隊從整個數據庫中篩選出了96000多種最終可處理的結構。對于其中每一種，他們根據化學成分之間的關系進行了一系列計算，從而制作出材料的電子帶結構的圖譜。

研究人員使用多臺超級計算機對每種結構進行了高效而復雜的計算，接著，他們進而篩選出各種已知的拓撲相，也就是每種晶體材料中持續存在的電學行為。

從他們的高通量分析中，團隊很快就發現了數量驚人的自然拓撲材料，以及可以被操控的材料，例如借助光或化學摻雜而表現出某種穩健的電子行為。他們還發現了少數幾種材料，當暴露在某些條件下時，這些材料含有超過一種拓撲態。

拓撲材料數據庫
團隊已經將新發現的材料編入了一個可自由訪問的新的拓撲材料數據庫，它就像一個拓撲學的“元素周期表”。

對于正在研究這種效應的實驗者來說，新的數據庫揭示了一個可供探索的新材料群。有了它，科學家就可以快速搜索感興趣的拓撲材料，了解可能擁有的任何拓撲特性，并利用它們制造出超低功率的晶體管、新的磁性記憶存儲以及其他具有強大電子特性的設備。