Um novo supercondutor quebra regras que os físicos pensavam terem sido corrigidas

Em trabalhos anteriores publicados em 2024, a equipe mostrou que apenas as superfícies superior e inferior do PtBi₂ tornam-se supercondutores, 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 intrigante, as bordas que cercam essas 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.

Como PtBi₂ Torna-se um supercondutor topológico

O comportamento incomum do PtBi₂ pode ser entendido dividindo-o em três etapas principais.

Para começar, certos elétrons estão confinados estritamente às superfícies superior e inferior do cristal. Isso acontece por causa de uma propriedade topológica do PtBi₂ isso surge de como os elétrons interagem com a estrutura atômica ordenada do material. As propriedades topológicas são notavelmente 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.

O que torna o PtBi₂ especialmente impressionante é que os elétrons ligados à superfície superior são sempre combinados com os elétrons correspondentes na superfície inferior, independentemente da espessura do cristal. Se o cristal fosse cortado ao meio, as superfícies recém-expostas desenvolveriam imediatamente os mesmos elétrons ligados à superfície.

Uma superfície supercondutora com interior normal

A segunda etapa ocorre em baixas temperaturas. Os elétrons confinados às superfícies começam a se emparelhar, permitindo que se movam sem resistência. Enquanto isso, os elétrons dentro da maior parte do material não aderem 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. As superfícies externas conduzem eletricidade perfeitamente, enquanto o interior permanece em metal normal. 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 agora se destaca como um dos exemplos mais convincentes até agora.

Um padrão nunca antes visto de emparelhamento de elétrons

A peça final do quebra-cabeça vem de medições de resolução excepcionalmente alta realizadas no laboratório do Dr. Sergey Borisenko no Instituto Leibniz de Pesquisa de Estado Sólido e Materiais (IFW Dresden). Estas experiências mostraram que nem todos os electrões da superfície participam igualmente na supercondutividade.

Os elétrons que se movem em seis direções específicas e uniformemente espaçadas na superfície recusam-se a formar pares. 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 é o primeiro supercondutor conhecido onde o emparelhamento é restrito em um padrão simétrico de seis vezes.

“Nunca vimos isso antes. Não só o PtBi₂ um supercondutor topológico, mas o emparelhamento de elétrons que impulsiona essa supercondutividade é diferente de todos os outros supercondutores que conhecemos”, diz Borisenko. “Ainda não entendemos como esse emparelhamento acontece.”

Bordas de cristal que prendem partículas de Majorana

O estudo também confirma que PtBi₂ fornece uma rota nova e prática para a produção de partículas de Majorana, que há muito são procuradas na física da matéria condensada.

“Nossos cálculos demonstram que a supercondutividade topológica em PtBi₂ cria automaticamente partículas de Majorana que ficam presas ao longo das bordas do material. Na prática, poderíamos criar artificialmente bordas escalonadas no cristal, para criar quantas Majoranas quisermos, “explica o Prof. 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 que juntos se comportam como um único elétron, mas agem individualmente de maneiras fundamentalmente diferentes. Esta ideia de dividir efetivamente um elétron é central para a computação quântica topológica, uma abordagem projetada para criar qubits que são muito mais resistentes a ruídos e erros.

Controlando Majoranas para Futuros Dispositivos Quânticos

Com PtBi₂Com a supercondutividade incomum e as partículas de Majorana agora identificadas, os pesquisadores estão voltando sua atenção para o controle desses efeitos. Uma estratégia envolve afinar o material, o que alteraria o interior não supercondutor. Isso poderia transformá-lo de metal condutor em isolante, evitando que elétrons comuns interferissem nas Majoranas usadas como qubits.

Outra abordagem envolve a aplicação de um campo magnético. Ao mudar os níveis de energia dos elétrons, um campo magnético poderia potencialmente mover partículas de Majorana das bordas do cristal para os cantos. Esses recursos representariam passos importantes para o uso do PtBi₂ como plataforma para futuras tecnologias quânticas.