Оказалось, что в непримечательном сером кристалле дивисмутида платины (PtBi₂) электроны демонстрируют поведение, которое ученые никогда прежде не наблюдали.
Физики выяснили, что дивисмутид платины представляет собой топологический сверхпроводник с уникальным механизмом спаривания электронов, а его края естественным образом удерживают загадочные фермионы Майораны — потенциальные строительные блоки для квантовых компьютеров будущего.
Еще в 2024 году та же команда из Института твердого тела и материаловедения имени Лейбница в Дрездене и кластера передовых исследований ct.qmat продемонстрировала, что сверхпроводимость в PtBi₂ возникает исключительно на верхней и нижней поверхностях кристалла, тогда как его внутренняя часть остается обычным металлом. Это своего рода природный «сэндвич»: идеально проводящие поверхности обрамляют нормальную сердцевину. Такое поведение объясняется топологическими свойствами материала — особенностями взаимодействия электронов с упорядоченной атомной структурой, которые крайне устойчивы и не меняются без внешнего воздействия.
Интересно, что электроны на верхней поверхности всегда имеют «партнеров» на нижней, независимо от толщины кристалла. Если разделить его пополам, на новых поверхностях немедленно появятся такие же связанные электроны.
Самым удивительным открытием стал характер спаривания электронов. Измерения с исключительно высоким разрешением показали, что электроны, движущиеся в шести определенных направлениях на поверхности, вообще отказываются образовывать пары. Этот шестилучевой узор отражает симметрию расположения атомов в кристалле. В обычных сверхпроводниках электроны спариваются независимо от направления движения. Некоторые нестандартные материалы, такие как знаменитые купраты, демонстрируют четырехкратную симметрию спаривания. Однако шестикратная симметрия обнаружена впервые.
«Мы никогда не видели ничего подобного, — говорит доктор Сергей Борисенко. — PtBi₂ оказался не просто топологическим сверхпроводником, но материалом, механизм спаривания электронов в котором отличается от всех известных нам сверхпроводников. И мы пока что не понимаем, как это спаривание возникает».
Расчеты подтвердили, что топологическая сверхпроводимость в данном материале автоматически создает фермионы Майораны, локализованные вдоль краев кристалла. «На практике мы могли бы искусственно создавать ступенчатые края в кристалле, чтобы получать столько майоран, сколько захотим», — объясняет профессор Йерун ван ден Бринк.
Майорановские фермионы существуют парами и вместе ведут себя как один электрон, однако по отдельности проявляют противоположные свойства. Эта концепция «расщепленного электрона» лежит в основе топологических квантовых вычислений — подхода к созданию кубитов, устойчивых к шумам и ошибкам. Теперь специалисты работают над способами управления этими эффектами для будущих квантовых технологий.
Фото: hi-tech.mail.ru