Bismuth's mask uncovered: Implications for quantum computing and spintronics materials

存在一类材料，它们在块体状态下是绝缘体，但在表面却具有稳定的导电性。由于这种导电性不受缺陷或杂质的影响，这类被称为"拓扑材料"的物质被认为非常适用于量子计算机、自旋电子学及其他先进电子应用。然而，将近20年来，铋是否为拓扑材料始终存在科学争议——大量计算表明它不应属于拓扑材料，但特定测量结果却显示相反结论。神户大学量子固态物理学家伏屋雄纪表示："我一直着迷于铋元素，怀着想要透彻了解这种元素的渴望开展研究。作为一名铋爱好者，我无法忽视这种争议局面，决心深入探究以解开谜题。"

伏屋对该材料的专注使他能思考他人未关注的现象。他解释道："在我研究的诸多铋特性中，我首次发现晶体表面附近的弛豫现象会导致晶体结构自发改变。这让我思考：这种表面弛豫是否可能影响材料的拓扑性质？"因此，这位神户大学研究者与团队通过计算机模型模拟材料中的电子行为，并将晶体结构变化纳入考量，以期对争议作出贡献。

该团队以快报形式在期刊《物理评论B》发表了研究成果。他们的计算证明：铋晶体的表面弛豫会使材料在表面呈现拓扑特性，掩盖其块体的非拓扑本质。伏屋阐释道："迄今为止，材料的拓扑性质始终依据'体边对应'原理判定——即表面特性反映块体特性。但我们的研究表明，这一指导原则可能被打破。"

研究团队在论文中指出："我们提出的表面弛豫导致体边对应破缺理论不仅适用于铋，还可广泛应用于其他体系。"因此，被研究者称为"拓扑阻塞"的效应也可能在其他材料中发现。伏屋强调："拓扑材料科学最核心的是准确掌握物质的拓扑特性"，暗示其团队研究对整个领域具有深远影响。

对铋元素爱好者伏屋而言，这项发现也具有个人意义。他解释道："铋元素促成了众多科学发现，历史经验表明，一旦在铋中发现某种现象，类似现象就会在其他物质中相继涌现。得知又一项首次在铋中发现的现象加入这个行列，我深感欣喜。"

本研究由日本学术振兴会（项目号23H00268、23H04862、22K18318）资助，并与电气通信大学研究人员合作完成。