Опираясь на технологические достижения 20-го века, обусловленные полупроводниковыми технологиями и миниатюризацией, 21-й век развил неутолимую жажду новых материалов, обладающих экзотическими свойствами, для решения грандиозных задач сегодняшнего дня, включая интеллектуальные электронные устройства, квантовые вычисления и эффективные катализаторы для устойчивого преобразования энергии.
Специализация таких систем требует разработки стратегии создания материалов с нуля, чтобы удовлетворить все более сложные требования. До сих пор ученые, стремившиеся к нетрадиционным квантовым состояниям, происходящим из «топологии +», использовали конструкцию гетероструктур для объединения различных электронных фаз из разных материалов, а не для реализации таких явлений в одном материале.
Область топологических материалов появилась в 2005 году, когда Кейн и Меле описали электронную структуру графена. Прототипом среди более широкого класса топологически нетривиальных материалов, известных сегодня, являются топологические изоляторы, в которых порядок электронных полос перемешан так, что полученное твердое тело имеет перевернутую зонную структуру в одной точке в зоне Бриллюэна.
Таким образом, проводящие края или поверхностные состояния появляются на границе раздела между топологическим и нормальным изолятором, включая воздух. Эти электроны могут течь обратным рассеянием, что открывает новые горизонты для устройств спинтроники, квантовых вычислений и даже катализа.
В 2010 году Монг и его коллеги теоретически предсказали антиферромагнитные топологические изоляторы (AFM-TI). Они надеялись, что материалы АСМ как таковые будут революционизировать электронные устройства из-за таких эффектов, как вращающие моменты, магнитосопротивление или сверхбыстрая динамика, но в сочетании с нетривиальной топологией они могут привести к изобилию экзотической физики и новых приложений.
И все же, основным препятствием для быстро развивающейся области топологических материалов является небольшое количество экспериментально подтвержденных материалов.
Для процветания поля отчаянно необходимы реалистичные варианты, которые легко изготавливают крупные монокристаллы, не проявляя структурную чрезмерную сложность из-за крупномасштабного атомного беспорядка и демонстрируют интересующие электронные переходы при доступных температурах.
Благодаря обучению, химики получают уникальную способность синтезировать новые соединения, быстро оценивать кристаллические структуры на основе их симметрии и регулярно использовать хорошо разработанные теории связей, основанные на соотношении размеров или электроотрицательности элементов.
200 лет эмпирических знаний даровали химикам определенную интуицию в отношении термодинамической стабильности, реакционной способности и кристаллохимии. Было бы целесообразно использовать этот опыт в поиске новых материалов с нетрадиционными свойствами.