铋是否属于一种非常适合量子计算和自旋电子学的材料类别一直是一个悬而未决的问题。神户大学的研究现在揭示了铋的真实本质被其表面所掩盖，并在这样做的过程中发现了与所有此类材料相关的新现象。
有一类材料在其体相中是绝缘体，但在其表面上则具有良好的导电性。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”预计在量子计算机、自旋电子学和其他先进电子应用中高度适用。然而，铋是否为一种拓扑材料在过去近20年里一直处于科学争论之中，许多计算表明它不应为拓扑材料，但某些测量却指向相反的结论。神户大学的量子固态物理学家伏谷幸表示：“我一直对铋着迷，并一直进行研究，希望了解有关这一元素的所有知识。作为一个铋的爱好者，我无法忽视这种情况，深入探讨这一争论，希望能解决这个谜团。”
伏谷对该材料的奉献使他能够考虑其他人未曾想到的现象。他解释道：“在我研究的许多铋的性质中，我首先发现晶体结构由于表面附近的放松而自发变化。这让我想知道这种表面放松是否会影响材料的拓扑特性。”因此，神户大学的研究人员和他的团队开始对该材料中电子行为的计算模型进行研究，并结合这一晶体结构的变化，调查它们是否能为争论提供贡献。
该团队现在在期刊《物理评论B》上发表了他们的结果。计算结果证明，铋晶体表面的放松使得该材料在表面上呈现出拓扑特性，从而掩盖其体相是非拓扑的事实。“直到现在，材料的拓扑特性是基于‘体边对应’的原则来确定的，该原则认为表面的特征代表了体相中的特征。然而，我们的研究显示，这一指导原则是可以被打破的，”伏谷解释道。
“我们提出的表面放松可能导致体边对应被打破的观点不仅限于铋，还可以广泛应用于其他系统，”神户大学团队在论文中写道。因此，研究人员称之为“拓扑阻挡”的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特性，”伏谷评论道，暗示着他团队的工作对整个领域的广泛影响。
对于铋的爱好者伏谷来说，这一发现也是个人化的。他解释道：“铋为许多发现提供了背景，历史教会我们，一旦在这里发现了一种现象，类似的现象便会接连在其他物质中被发现。我很高兴，再一次在铋中发现的现象被加入到那份清单中。”
这项研究得到了日本学术振兴会的资助（拨款23H00268、23H04862和22K18318）。该研究与电子通信大学的研究人员合作进行。
