Algo inesperado está acontecendo dentro do material chamado platina-bismuto-Bi (PtBi).2) Este cristal cinza brilhante pode parecer comum, mas os elétrons dentro dele se comportam de maneiras que os cientistas nunca viram antes, de acordo com um novo estudo realizado por pesquisadores do IFW Dresden e do Cluster of Excellence ct.qmat.
Em trabalho anterior publicado em 2024, a equipe mostrou que apenas as superfícies superior e inferior do PtBi2 torna-se supercondutor, o que significa que os elétrons podem emparelhar e fluir sem resistência. Os seus últimos resultados revelam algo ainda mais surpreendente. Esses pares de elétrons são diferentes de quaisquer supercondutores conhecidos. O mais intrigante é que as bordas ao redor dessas superfícies supercondutoras hospedam naturalmente partículas de Majorana indescritíveis, que são consideradas blocos de construção promissores para bits quânticos tolerantes a erros (qubits) em futuros computadores quânticos.
Como PtBi2 torna-se um supercondutor topológico
Comportamento incomum de PtBi2 Pode ser dividido em três etapas principais.
Inicialmente, certos elétrons estão estritamente confinados às superfícies superior e inferior do cristal. Isto é devido à propriedade topológica do PtBi2 Surge de como os elétrons interagem com a estrutura atômica ordenada do material. As propriedades topológicas são notavelmente estáveis. Eles não mudam até que a simetria de todo o material seja alterada, seja pela alteração da forma do cristal ou pela aplicação de um campo eletromagnético.
O que o PTBi faz?2 Particularmente interessante é que os electrões ligados à superfície superior correspondem sempre aos electrões correspondentes na superfície inferior, independentemente da espessura do cristal. Se o cristal for cortado ao meio, as superfícies recentemente expostas desenvolverão imediatamente os mesmos elétrons ligados à superfície.
Uma superfície supercondutora com interior normal
A segunda etapa ocorre em temperaturas mais baixas. Os elétrons confinados à superfície começam a se emparelhar, permitindo que se movam sem resistência. Enquanto isso, os elétrons dentro da maior parte do material não unem esses pares e continuam a se comportar como elétrons comuns.
Isto cria uma estrutura incomum que os pesquisadores descrevem como um sanduíche supercondutor natural. As superfícies externas conduzem eletricidade perfeitamente, enquanto a interna é de metal liso. Como a supercondutividade vem de elétrons de superfície topologicamente protegidos, PtBi2 qualifica-se como um supercondutor topológico.
Acredita-se que apenas um pequeno número de materiais hospede supercondutividade topológica intrínseca. Até agora, nenhum desses candidatos foi apoiado por evidências experimentais consistentemente fortes. PtBi2 Até agora é um dos exemplos mais convincentes.
O emparelhamento de elétrons nunca foi visto antes
A peça final do quebra-cabeça vem de medições de resolução excepcionalmente alta realizadas no laboratório do Dr. Sergey Borysenko no Instituto Leibniz de Pesquisa de Estado Sólido e Materiais (IFW Dresden). Estas experiências mostram que nem todos os electrões da superfície participam igualmente na supercondutividade.
Os seis elétrons fixos e uniformemente espaçados na superfície recusam-se a emparelhar. Este padrão incomum reflete a simetria rotacional tripla de como os átomos estão dispostos na superfície do PtBi2.
Nos supercondutores convencionais, os elétrons se emparelham independentemente da direção em que viajam. Alguns supercondutores não convencionais, incluindo os bem conhecidos cupratos que operam em temperaturas relativamente altas, apresentam emparelhamento direcional com simetria quádrupla. PtBi2 O primeiro supercondutor conhecido em que o emparelhamento está confinado a um padrão simétrico de seis vezes.
“Nunca vimos isso antes. Não apenas PtBi2 Um supercondutor topológico, mas o emparelhamento de elétrons que impulsiona essa supercondutividade é diferente de todos os outros supercondutores que conhecemos”, disse Borysenko. “Ainda não entendemos como esse emparelhamento acontece.”
Bordas de cristal que prendem partículas de Majorana
O estudo também confirma que PtBi2 Majorana fornece um caminho novo e prático para a geração de partículas, que tem sido explorado há muito tempo na física da matéria condensada.
“Nossos cálculos mostram que a supercondutividade topológica em PtBi2 Cria automaticamente partículas Majorana que se fixam nas bordas do elemento. Na prática, podemos criar artificialmente bordas escalonadas em cristais, podemos criar quantas Majoranas quisermos”, explica o professor Jeroen van den Brink, diretor do Instituto IFW de Física Teórica do Estado Sólido e investigador principal do Cluster de Excelência Würzburg-Dresden.
As partículas de Majorana vêm em pares que juntos se comportam como um único elétron, mas agem individualmente de maneiras fundamentalmente diferentes. Essa ideia de dividir efetivamente um elétron é central para a computação quântica topológica, um método projetado para criar qubits que são muito mais imunes a ruídos e erros.
Controlando Majorana para futuros dispositivos quânticos
com PtBi2Com a sua supercondutividade incomum e as partículas de Majorana agora detectadas, os investigadores estão a voltar a sua atenção para o controlo destes efeitos. Uma técnica é diluir o material, o que mudará o interior não supercondutor. Isso pode transformá-lo de metal condutor em isolante, evitando que elétrons normais interfiram nas Majoranas usadas como qubits.
Outro método envolve a aplicação de um campo magnético. Ao alterar os níveis de energia dos elétrons, um campo magnético pode potencialmente mover a partícula de Majorana da borda do cristal para o seu canto. Esses recursos representarão passos importantes para o uso do PtBi2 Como plataforma para futuras tecnologias quânticas.
