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

存在一类材料，它们在体相中是绝缘体，但在表面却具有强导电性。由于这种导电性不受缺陷或杂质的影响，这种所谓的“拓扑材料”被认为非常适合用于量子计算机、自旋电子学和其他先进电子应用。然而，铋是否是拓扑材料这一问题在过去近20年中一直存在科学争论，许多计算表明它不应是，但某些测量结果却表明不同。神户大学量子固态物理学家伏谷由树说：“我一直对铋着迷，并怀着想要了解这种元素一切的愿望进行研究。作为铋的爱好者，我不能忽视这种情况，并深入探讨了这一争论，希望解开这个谜团。”

伏谷对这种材料的投入使他能够考虑到其他人未曾考虑的现象。他解释说：“在我研究的铋的众多性质中，我首次发现晶体结构会在晶体表面附近因弛豫而自发变化。这让我思考这种表面弛豫是否会影响材料的拓扑性质。”因此，神户大学的研究人员和他的团队利用计算机模型模拟了材料中电子的行为，并将这种晶体结构的变化纳入其中，以探究它们是否能为此争论提供帮助。

该团队现在在期刊Physical Review B上发表了一封信函形式的结果。他们的计算证明，铋晶体表面的弛豫导致材料在表面显得具有拓扑性，掩盖了其体相非拓扑的本质。“迄今为止，材料的拓扑性是根据‘体-边对应原理’确定的，该原理认为表面特征代表了体相特征。然而，我们的研究表明这一指导原则是可以被打破的，”伏谷解释道。

神户大学团队在论文中写道：“我们提出的表面弛豫可导致体-边对应打破的观点不仅限于铋，而且可以广泛应用于其他系统。”因此，研究人员所称的“拓扑阻塞”效应也可能在其他材料中被发现。“在拓扑材料科学中，最重要的是正确理解物质的拓扑性，”伏谷评论道，暗示他们团队的工作对整个领域具有广泛影响。

对于铋爱好者伏谷来说，这一发现也具有个人意义。他解释说：“铋为许多发现提供了舞台，历史告诉我们，一旦在那里发现了一种现象，类似现象就会在其他物质中相继被发现。我很高兴知道另一个首次在铋中发现的现象被添加到该列表中。”

本研究由日本学术振兴会资助（项目号：23H00268、23H04862和22K18318）。研究是与电气通信大学的研究人员合作进行的。