Om vismut tillhör en klass av material som är mycket lämpliga för kvantdatorer och spintronik har varit en långvarig fråga. Forskning vid Kobe University har nu avslöjat att vismuts sanna natur doldes av dess yta, och därmed upptäckt ett nytt fenomen som är relevant för alla sådana material.
Forskargruppen har publicerat sina resultat i ett brev i tidskriften Physical Review B.
Det finns en klass av material som är isolerande i sin bulk, men som har en stark ledningsförmåga på ytan. Eftersom denna ledningsförmåga inte påverkas av defekter eller föroreningar förväntas sådana så kallade topologiska material vara mycket lämpliga för användning i kvantdatorer, spintronik och andra avancerade elektroniska tillämpningar.
Huruvida vismut är ett topologiskt material eller inte har dock varit föremål för vetenskaplig debatt under de senaste nästan 20 åren, där många beräkningar visar att det inte borde vara det, men vissa mätningar tyder på något annat.
Fuseya Yuki, kvantfysiker vid Kobe University, säger: ”Jag har alltid varit fascinerad av vismut och har bedrivit forskning med önskan att lära mig allt som finns att veta om detta grundämne. Som vismutälskare kunde jag inte bortse från denna situation och fördjupade mig i debatten i hopp om att lösa mysteriet.”
Fuseyas engagemang för materialet gjorde det möjligt för honom att uppmärksamma fenomen som andra inte hade sett.
Han förklarar: ”Bland de många egenskaper hos vismut som jag har studerat var jag den första som upptäckte att kristallstrukturen spontant förändras på grund av relaxation nära kristallytan. Detta fick mig att undra om denna ytrelaxation kunde påverka materialets topologiska egenskaper.”
Därför använde forskaren vid Kobe University och hans team datormodeller av elektronernas beteende i materialet och införlivade denna förändring i kristallstrukturen för att undersöka om de på så sätt kunde bidra till debatten.
Deras beräkningar kunde bevisa att avspänningen av ytan på vismutkristaller gör att materialet verkar vara topologiskt vid ytan, vilket döljer att dess bulk är icke-topologisk.
”Hittills har ett materials topologi bestämts utifrån principen om ’bulk-kant-korrespondens’, som innebär att egenskaperna vid ytan representerar egenskaperna i bulken. Vår studie visar dock att denna vägledande princip kan brytas”, förklarar Fuseya.
”Vår teori att ytrelaxering kan leda till att bulk-kant-korrespondensen bryts är inte begränsad till vismut utan kan tillämpas på andra system”, skriver forskarna från Kobe University i sin artikel. Den effekt som forskarna kallar ”topologisk blockering” kan alltså upptäckas även i andra material.
”Det viktigaste inom topologisk materialvetenskap är att förstå materiens topologi”, kommenterar Fuseya och antyder de stora konsekvenser som hans teams arbete har för hela området.
För bismutälskaren Fuseya är upptäckten också personlig.
Han förklarar: ”Vismut har varit skådeplats för många upptäckter, och historien har lärt oss att när ett fenomen upptäcks där, upptäcks liknande fenomen i andra ämnen, det ena efter det andra. Jag är mycket glad över att veta att ytterligare ett fenomen som först upptäcktes i vismut har lagts till listan.”
Mer information: Kazuki Koie et al, Topologisk blockering vid Bi(111)-ytan på grund av ytrelaxation, Physical Review B (2025). På arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2503.16819
