Долгое время физики не могли прийти к единому мнению о том, можно ли отнести висмут к топологическим материалам. Более глубокое изучение вопроса показало необходимость пересмотра определения.
Топологические материалы представляют собой класс веществ, характеризующийся высокой электрической проводимостью на поверхности и изолирующими свойствами в основной массе. Благодаря своей структуре, поверхностная проводимость этих материалов не зависит от наличия дефектов или примесей интересуют ученых, занимающихся квантовыми вычислениями и спинтроникой.
Дискуссии о топологических свойствах висмута ведутся среди ученых уже около двух десятилетий. Несмотря на то, что эксперименты демонстрируют поведение этого вещества как топологического материала, теоретические расчеты не подтверждают полученные результаты.
Фусэя Юки, физик-теоретик из Университета Кобе в Японии ( Fuseya Yuki) на протяжении многих лет он изучал висмут. Благодаря этому он смог выявить в материале явления, которые не заметили другие ученые.
«Среди многочисленных свойств висмута я в первую очередь обратил внимание на то, что кристаллическая структура этого вещества самопроизвольно изменяется вследствие релаксации у поверхности. Это побудило меня к размышлениям: может ли этот процесс влиять на топологические характеристики материала?» — пояснил Фусэя.
Моделирование поведения электронов в висмуте, выполненное учеными и их коллегами, учитывало изменения структуры кристалла вблизи его поверхности. Полученные расчеты показали, что релаксация поверхностной структуры кристаллов висмута приводит к появлению видимости топологических свойств на поверхности, что скрывает нетопологическую природу объема материала.
Получается, что висмут не является классическим топологическим материалом. Тем не менее он проявляет свойства такого материала, а значит ученым стоит уточнить или переопределить термины. Результаты работы команда исследователей опубликовала в журнале Physical Review B.
Ранее топологию материала характеризовали, исходя из соотношения объема и границы» ( bulk-edge correspondence), согласно которому свойства поверхности отражают свойства объема. Но новое исследование доказывает, что этот принцип может нарушаться.
Предположение о том, что поверхностная релаксация может приводить к нарушению соответствия между объемом и границей, актуально не только для висмута, но и для других систем. Ученые выявили эффект «топологической блокировки» ( topological blocking) может встречаться и в иных материалах.