Физика

Физики долго не могли определиться, является ли висмут топологическим материалом. Детальное исследование показало, что ученым стоит передоговориться о терминах.

Топологические материалы — класс веществ с высокой электрической проводимостью на поверхности, но с изоляционными свойствами в объеме. Их поверхностная проводимость не страдает из-за дефектов или примесей в материале. Топологические материалы интересуют ученых, занимающихся квантовыми вычислениями и спинтроникой.

Ученые спорят о топологичности висмута около 20 лет. Эксперименты показывают, что это вещество ведет себя как топологической материал, но расчеты не согласуются с результатами.

Физик-теоретик из Университета Кобе (Япония) Фусэя Юки (Fuseya Yuki) много лет изучал висмут. Он смог заметить в материале явления, упущенные другими учеными.

«Среди множества свойств висмута я первым обнаружил, что кристаллическая структура этого вещества спонтанно меняется из-за релаксации у поверхности. Это заставило меня задуматься: может ли это влиять на топологическую природу материала?» — пояснил Фусэя.

Ученый и его команда смоделировали поведение электронов в висмуте, учтя приповерхностные изменения структуры кристалла. Их расчеты подтвердили: релаксация поверхности кристаллов висмута создает иллюзию топологичности на поверхности, маскируя 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.

До сих пор топологию материала определяли по принципу соответствия «объем — граница» (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 способна нарушать соответствие «объем — граница», применимо не только к висмуту, но и к другим системам. Открытый учеными эффект «топологической блокировки» (topological blocking) может встречаться и в иных материалах.