Algo inesperado está sucediendo dentro del material llamado platino-bismuto-Bi (PtBi).2) Este cristal gris brillante puede parecer normal, pero los electrones de su interior se comportan de una manera que los científicos nunca habían visto antes, según un nuevo estudio realizado por investigadores de IFW Dresden y el Cluster of Excellence ct.qmat.
En un trabajo anterior publicado en 2024, el equipo demostró que solo las superficies superior e inferior de PtBi2 se vuelve superconductor, lo que significa que los electrones pueden emparejarse y fluir sin resistencia. Sus últimos resultados revelan algo aún más sorprendente. Estos pares de electrones no se parecen a ningún superconductor conocido. Lo que es más intrigante, los bordes alrededor de estas superficies superconductoras albergan de forma natural las esquivas partículas de Majorana, que se consideran bloques de construcción prometedores para bits cuánticos (qubits) tolerantes a errores en futuras computadoras cuánticas.
Cómo PtBi2 se convierte en un superconductor topológico
Comportamiento inusual de PtBi2 Se puede dividir en tres pasos principales.
Inicialmente, ciertos electrones están estrictamente confinados a las superficies superior e inferior del cristal. Esto se debe a la propiedad topológica del PtBi.2 Surge de cómo interactúan los electrones con la estructura atómica ordenada del material. Las propiedades topológicas son notablemente estables. No cambian hasta que cambia la simetría de todo el material, ya sea cambiando la forma del cristal o aplicando un campo electromagnético.
¿Qué hace el PtBi?2 Particularmente interesante es que los electrones unidos a la superficie superior siempre corresponden a los electrones correspondientes en la superficie inferior, sin importar cuán grueso sea el cristal. Si el cristal se corta por la mitad, las superficies recién expuestas desarrollarán inmediatamente los mismos electrones unidos a la superficie.
Una superficie superconductora con un interior normal.
El segundo paso ocurre a temperaturas más bajas. Los electrones confinados en la superficie comienzan a emparejarse, lo que les permite moverse sin resistencia. Mientras tanto, los electrones dentro de la mayor parte del material no unen estos pares y continúan comportándose como electrones normales.
Esto crea una estructura inusual que los investigadores describen como un sándwich superconductor natural. Las superficies exteriores conducen perfectamente la electricidad, mientras que la interior es de metal simple. Debido a que la superconductividad proviene de electrones superficiales topológicamente protegidos, PtBi2 califica como un superconductor topológico.
Se cree que sólo una pequeña cantidad de materiales albergan superconductividad topológica intrínseca. Hasta ahora, ninguno de esos candidatos ha sido respaldado por evidencia experimental sólida y consistente. PtBi2 Hasta el momento es uno de los ejemplos más convincentes.
El emparejamiento de electrones nunca antes se había visto
La última pieza del rompecabezas proviene de mediciones de resolución excepcionalmente alta realizadas en el laboratorio del Dr. Sergey Borysenko en el Instituto Leibniz de Investigación de Materiales y Estado Sólido (IFW Dresden). Estos experimentos muestran que no todos los electrones de la superficie participan por igual en la superconductividad.
Los seis electrones fijos y espaciados uniformemente en la superficie se niegan a emparejarse. Este patrón inusual refleja la triple simetría rotacional de cómo se organizan los átomos en la superficie del PtBi.2.
En los superconductores convencionales, los electrones se emparejan independientemente de la dirección en la que viajen. Algunos superconductores no convencionales, incluidos los conocidos cupratos que operan a temperaturas relativamente altas, muestran un emparejamiento direccional con simetría cuádruple. PtBi2 El primer superconductor conocido en el que el emparejamiento se limita a un patrón simétrico de seis veces.
“Nunca habíamos visto esto antes. No solo PtBi2 “Es un superconductor topológico, pero el par de electrones que impulsa esta superconductividad es diferente de todos los demás superconductores que conocemos”, dijo Borysenko. “Todavía no entendemos cómo ocurre este par”.
Bordes de cristal que atrapan partículas de Majorana
El estudio también confirma que PtBi2 Majorana proporciona una ruta nueva y práctica hacia la generación de partículas, que se ha explorado durante mucho tiempo en la física de la materia condensada.
“Nuestros cálculos muestran que la superconductividad topológica en PtBi2 Crea automáticamente partículas de Majorana que se adhieren a los bordes del elemento. En la práctica, podemos crear artificialmente bordes escalonados en cristales, podemos crear tantas Majoranas como queramos”, explica el profesor Jeroen van den Brink, director del Instituto IFW de Física Teórica del Estado Sólido e investigador principal del Grupo de Excelencia de Würzburg-Dresden.
Las partículas de Majorana vienen en pares que juntas se comportan como un solo electrón, pero individualmente actúan de maneras fundamentalmente diferentes. Esta idea de dividir efectivamente un electrón es fundamental para la computación cuántica topológica, un método diseñado para crear qubits que sean mucho más inmunes al ruido y los errores.
Controlando Majorana para futuros dispositivos cuánticos
con PtBi2Ahora que se han detectado su inusual superconductividad y las partículas de Majorana unidas en los bordes, los investigadores están centrando su atención en controlar estos efectos. Una técnica consiste en adelgazar el material, lo que cambiará el interior no superconductor. Esto puede transformarlo de un metal conductor a un aislante, evitando que los electrones normales interfieran con las Majoranas utilizadas como qubits.
Otro método consiste en aplicar un campo magnético. Al cambiar los niveles de energía de los electrones, un campo magnético puede potencialmente mover la partícula de Majorana desde el borde del cristal hasta su esquina. Estas capacidades representarán pasos importantes hacia el uso de PtBi.2 Como plataforma para futuras tecnologías cuánticas.
