Учёные обнаружили, что материал под названием платина-висмут-два (PtBi₂) демонстрирует совершенно неожиданное поведение. Этот блестящий серый кристалл обладает уникальными внутренними свойствами: только его верхняя и нижняя поверхности становятся сверхпроводящими при низких температурах, позволяя электронам течь без сопротивления. Это открытие, сделанное исследователями из Дрездена, ставит PtBi₂ в особый ряд материалов, поведение которых не поддаётся обычным объяснениям.
Необычность заключается в том, как возникает эта сверхпроводимость. Из-за особых топологических свойств, связанных с упорядоченной атомной структурой кристалла, определённые электроны оказываются "заперты" строго на его поверхностях. Это явление роднит PtBi₂ с топологическими изоляторами — материалами, которые являются изоляторами в объёме, но имеют проводящие поверхностные состояния, защищённые топологией. Когда материал охлаждают, именно эти поверхностные электроны начинают спариваться и двигаться без потерь, в то время как электроны внутри кристалла ведут себя как в обычном металле. В результате образуется естественный "сэндвич": сверхпроводящие поверхности снаружи и нормальный металл внутри.
Самое удивительное открытие касается механизма спаривания электронов. Высокоточные измерения показали, что электроны на поверхности PtBi₂ спариваются не хаотично, а следуют строгому паттерну с шестикратной симметрией, отражающему расположение атомов. В известных сверхпроводниках электроны либо спариваются независимо от направления движения, либо демонстрируют четырёхкратную симметрию. Наблюдение шестикратного паттерна — это совершенно новое явление в физике, механизм которого учёным ещё предстоит понять.
Этот необычный тип топологической сверхпроводимости автоматически приводит к появлению на краях материала экзотических частиц, известных как фермионы Майораны. Эти частицы, которые являются своими собственными античастицами, десятилетиями были предметом поисков в физике конденсированного состояния. Они считаются идеальными кандидатами для создания квантовых битов (кубитов) — строительных блоков квантовых компьютеров будущего. Их ключевое преимущество — повышенная устойчивость к ошибкам благодаря принципу топологической защиты. Информация в таких кубитах кодируется не в локальных состояниях, а в глобальных топологических свойствах системы, таких как пространственное расположение частиц, что делает их менее уязвимыми для локальных помех и декогеренции.
Практическая ценность PtBi₂ в том, что он предлагает новый и управляемый путь к получению частиц Майораны. Исследователи предполагают, что, создавая искусственные "ступеньки" на поверхности кристалла, можно получать необходимое количество этих частиц. Следующим шагом станет контроль над материалом, например, его истончение до состояния, когда внутренняя часть станет изолятором. Это позволит изолировать частицы Майораны от помех со стороны обычных электронов.
Таким образом, PtBi₂ представляет собой уникальный материал, сочетающий в себе ранее не наблюдавшуюся форму сверхпроводимости и естественное возникновение перспективных для квантовых технологий частиц. Это открытие не только расширяет фундаментальные знания в физике, но и открывает конкретный путь к созданию более стабильных и эффективных квантовых вычислительных систем.
Источник: A new superconductor breaks rules physicists thought were fixed