Uma espécie de platina-bismuto di(PtBi2). Este cristal cinzento brilhante pode parecer comum, mas os eletrões no seu interior comportam-se de uma forma que os cientistas nunca observaram antes, de acordo com um novo estudo realizado por investigadores do IFW Dresden e do Excellence Cluster ct.qmat.
Em trabalhos anteriores publicados 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. A forma como esses elétrons se emparelham é diferente de qualquer supercondutor conhecido. Ainda mais interessante 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 falhas (qubits) em futuros computadores quânticos.
Que tal bismuto de platina2 Torne-se um supercondutor topológico
Comportamento incomum de PtBi2 Isso pode ser entendido em três etapas principais.
Primeiro, alguns elétrons estão firmemente confinados às superfícies superior e inferior do cristal. Isso ocorre devido às propriedades topológicas do PtBi2 Isso decorre de como os elétrons interagem com a estrutura atômica ordenada do material. As propriedades topológicas são muito estáveis. Eles não mudam a menos que a simetria de todo o material seja alterada, seja pela remodelação do próprio cristal ou pela aplicação de um campo eletromagnético.
Do que é feito o PtBi?2 O que é particularmente impressionante é que não importa a espessura do cristal, os elétrons ligados à superfície superior sempre correspondem aos elétrons correspondentes na superfície inferior. Se o cristal for cortado ao meio, a superfície recém-exposta produzirá imediatamente os mesmos elétrons ligados à superfície.
Superfície supercondutora com interior normal
A segunda etapa ocorre em baixas temperaturas. Os elétrons confinados à superfície começam a se emparelhar, permitindo que se movam sem resistência. Enquanto isso, os elétrons da maior parte do material não se juntam a esse emparelhamento e continuam a se comportar como elétrons comuns.
Isto cria uma estrutura incomum que os pesquisadores descrevem como um sanduíche supercondutor natural. A superfície externa é perfeitamente condutora, enquanto a interna ainda é de metal normal. Como a supercondutividade vem de elétrons de superfície topologicamente protegidos, PtBi2 Atende aos requisitos para supercondutores topológicos.
Acredita-se que apenas alguns materiais possuam supercondutividade topológica intrínseca. Até agora, nenhum destes candidatos foi apoiado por evidências experimentais consistentemente fortes. Bismuto platina2 Agora vem um dos exemplos mais convincentes até agora.
Modo de emparelhamento eletrônico sem precedentes
A peça final do quebra-cabeça vem de medições de altíssima resolução no laboratório do Dr. Sergey Borisenko 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 elétrons que se movem em seis direções específicas e uniformemente espaçadas pela superfície simplesmente se recusam a emparelhar. Este padrão incomum reflete a simetria rotacional tripla do arranjo dos átomos na superfície do PtBi2.
Em um supercondutor convencional, 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, exibem pares orientados com simetria quádrupla. Bismuto platina2 é o primeiro supercondutor conhecido cujos pares são restritos a um padrão de simetria de seis vezes.
“Nunca vimos isso antes. Não é apenas PtBi2 “É um supercondutor topológico, mas o emparelhamento de elétrons que impulsiona essa supercondutividade é diferente de todos os outros supercondutores que conhecemos. Ainda não sabemos como surge esse emparelhamento”, disse Borisenko.
Bordas de cristal que capturam partículas de Majorana
A pesquisa também confirma que PtBi2 Fornece uma nova rota prática para gerar partículas de Majorana, que a física da matéria condensada há muito busca.
“Nossos cálculos mostram supercondutividade topológica em PtBi2 Cria automaticamente partículas de Majorana presas ao longo da borda do material. Na prática, podemos criar artificialmente bordas escalonadas no cristal para criar qualquer número de cristais de Majorana, “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 ct.qmat.
As partículas de Majorana vêm em pares e juntas se comportam como um único elétron, mas cada uma se comporta de maneira completamente diferente. Essa ideia de dividir elétrons com eficiência está no cerne da computação quântica topológica, uma abordagem que visa criar qubits mais resistentes a ruídos e erros.
Majorana controlando futuros dispositivos quânticos
Contendo platina e bismuto2Agora que foram descobertas supercondutividade incomum e partículas de Majorana ligadas às bordas, os pesquisadores estão voltando sua atenção para o controle desses efeitos. Uma estratégia é diluir o material, o que altera o interior não supercondutor. Isso o transforma de metal condutor em isolante, evitando que elétrons comuns interfiram no Majorana usado como qubit.
Outro método envolve a aplicação de um campo magnético. Ao alterar os níveis de energia dos elétrons, os campos magnéticos podem mover as partículas de Majorana das bordas do cristal para os cantos. Esses recursos representarão etapas importantes no uso do PtBi2 Como plataforma para futuras tecnologias quânticas.
