Nadprzewodnik łamiący konwencje
Zachowanie elektronów w PtBi2 nie przypomina niczego, co znaliśmy do tej pory. W tradycyjnych nadprzewodnikach elektrony łączą się w pary niezależnie od kierunku ich ruchu. Niektóre materiały, jak nadprzewodniki wysokotemperaturowe na bazie miedzi, wykazują czterokrotną symetrię obrotową. PtBi2 idzie jednak o krok dalej, ponieważ prezentuje sześciokrotną symetrię obrotową, co odpowiada tzw. symetrii parowania i-falowego.
Czytaj też: Ukryta chemia lodu pod wpływem światła UV. Naukowcy odkryli cztery kluczowe typy defektów
Nigdy wcześniej tego nie widzieliśmy. PtBi2 jest nie tylko nadprzewodnikiem topologicznym, ale parowanie elektronów, które napędza to nadprzewodnictwo, jest inne niż wszystkie inne znane nam nadprzewodniki. Nie rozumiemy jeszcze, jak to parowanie powstaje – relacjonuje Sergey Borisenko z Uniwersytetu Technicznego w Dreźnie
Materiał przechodzi w stan nadprzewodzący poniżej 10-15 kelwinów, co odpowiada około minus 260 stopni Celsjusza. Choć to wciąż bardzo niska temperatura, pozwala na prowadzenie badań w warunkach laboratoryjnych. Co ciekawe, nadprzewodnictwo zamyka topologiczne stany powierzchniowe znane jako łuki Fermiego, podczas gdy wnętrze materiału nie zmienia swoich metalicznych właściwości.
Elektrony w sześciu kierunkach oporu
Zaawansowane techniki badawcze, w tym spektroskopia fotoemisyjna z rozdzielczością kątową, ujawniły niezwykłą cechę tego materiału. Okazało się, iż elektrony poruszające się w sześciu symetrycznych kierunkach na powierzchni PtBi2 nie tworzą par. To zachowanie bezpośrednio odzwierciedla trzykrotną symetrię obrotową układu atomów w krysztale. Badania pokazują, że szczelina nadprzewodząca, czyli parametr określający energię potrzebną do rozerwania pary elektronów, nie jest jednolita we wszystkich kierunkach.
W niektórych obszarach osiąga wartości od 2,5 do 3,6 milielektronowoltów, podczas gdy w innych praktycznie zanika. Miejsca zerowej szczeliny, nazywane węzłami, znajdują się dokładnie w centrum łuków Fermiego i stanowią kluczowy dowód na topologiczny charakter tego nadprzewodnictwa. Właściwości topologiczne PtBi2 charakteryzują się niezwykłą stabilnością. Utrzymują się tak długo, jak zachowana jest ogólna symetria materiału, co sytuuje go w wąskiej grupie nadprzewodników topologicznych chronionych przez fundamentalne prawa fizyki.
Fermiony Majorany i przyszłość komputerów kwantowych
Najbardziej obiecujący aspekt tego odkrycia wiąże się z fermionami Majorany: egzotycznymi cząstkami, które są swoimi własnymi antycząstkami. Obliczenia teoretyczne sugerują, jakoby na krawędziach obszarów nadprzewodzących w PtBi2 powinny spontanicznie pojawiać się te nieuchwytne obiekty. Fermiony Majorany mogą odegrać kluczową rolę w rozwoju komputerów kwantowych. Para takich cząstek funkcjonuje jak pojedynczy elektron, lecz każda z nich przejawia zupełnie inne właściwości. Koncepcja „rozdzielonych elektronów” stanowi podstawę topologicznego przetwarzania kwantowego – podejścia mającego na celu tworzenie kubitów odpornych na zakłócenia zewnętrzne.
Wyzwaniem pozostaje współistnienie stożków Majorany bez szczeliny z metalicznym wnętrzem materiału, co może komplikować praktyczne zastosowania. Metaliczne wnętrze potencjalnie zakłóca delikatne stany kwantowe na powierzchni. Naukowcy rozważają dwa rozwiązania: wytwarzanie ultracienkich próbek PtBi2 lub zastosowanie zewnętrznego pola magnetycznego neutralizującego wpływ wnętrza materiału. Kolejne badania będą koncentrować się na kontrolowaniu cząstek Majorany w PtBi2 i zrozumieniu mechanizmu odpowiedzialnego za to nietypowe nadprzewodnictwo.