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

存在一类材料，其体相为绝缘体，但表面具有稳健的导电性。由于这种导电性不受缺陷或杂质影响，这类被称为“拓扑材料”的物质被认为非常适合应用于量子计算机、自旋电子学及其他先进电子设备中。然而，过去近20年间，铋是否属于拓扑材料一直存在科学争议——大量计算表明其不应具有拓扑性质，但某些测量结果却显示出相反迹象。神户大学量子固态物理学家伏屋雄纪表示：“我一直对铋充满着迷，渴望全面了解这种元素的所有特性。作为铋元素爱好者，我无法忽视这种争议，决心深入探究以解开谜题。”

伏屋对该材料的专注使其能关注到他人忽视的现象。他解释道：“在研究的众多铋特性中，我首次发现晶体表面附近的弛豫效应会引发晶体结构自发变化。这让我思考：表面弛豫是否会影响材料的拓扑特性？”基于此，这位神户大学研究员带领团队建立材料电子行为的计算机模型，并将晶体结构变化纳入考量，以探究其对学术争议的启示。

该团队在《Physical Review B》期刊发表快报公布成果。其计算证明：铋晶体表面的弛豫效应导致材料表面呈现拓扑特性，掩盖了其体相的非拓扑本质。伏屋阐明：“迄今为止，材料拓扑性质一直基于‘体边对应关系’原理判定——该原理认为表面特性反映体相特性。但我们的研究表明这一指导原则可能被打破。”

神户大学团队在论文中指出：“我们提出的表面弛豫导致体边对应关系失效的机制不仅限于铋，还可广泛应用于其他体系。”因此，研究人员提出的“拓扑阻塞”效应同样可能存在于其他材料中。伏屋强调：“拓扑材料科学最核心的是准确判定物质拓扑性质”，暗示其团队研究对整个领域具有广泛影响。

对铋元素爱好者伏屋而言，此项发现更具个人意义。他阐释：“铋为诸多发现提供了研究载体，历史经验表明：当某现象首次在铋中发现后，相似现象往往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此行列，我深感欣慰。”

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