В материале PtBi₂ (платина-висмут-2) верхняя поверхность становится сверхпроводящей: здесь электроны объединяются в пары и могут перемещаться без сопротивления, что характерно для всех сверхпроводников. Благодаря этому свойству PtBi₂ способен удерживать магнит над своей поверхностью — явление левитации. Однако уникальность этого материала заключается в том, что существует шесть направлений, в которых электроны не могут образовывать пары, что отличает PtBi₂ от других сверхпроводников.

Необычные свойства PtBi₂

Внутри кристалла PtBi₂, несмотря на его обычный внешний вид, электроны ведут себя совершенно необычно. Недавние исследования, проведённые учёными из IFW Dresden и кластера ct.qmat, показали, что только верхняя и нижняя поверхности кристалла становятся сверхпроводящими, позволяя электронам на этих гранях течь без сопротивления. При этом электроны внутри объёма материала остаются обычными и не участвуют в сверхпроводимости. Такой эффект создаёт своеобразную структуру — естественный сверхпроводящий «сэндвич», где внешние поверхности идеально проводят электричество, а внутренняя часть остаётся металлом.

Топологическая защита и уникальная симметрия

Сверхпроводимость в PtBi₂ обусловлена топологически защищёнными поверхностными электронами. Эти свойства исключительно устойчивы: они сохраняются, пока не нарушена симметрия всего кристалла, например, при изменении его формы или воздействии электромагнитного поля. Особенность PtBi₂ в том, что электроны, связанные с верхней поверхностью, всегда имеют соответствующих партнёров на нижней, независимо от толщины кристалла. Если разрезать кристалл, на новых поверхностях тут же появятся такие же поверхностные электроны.

Необычное спаривание электронов

Эксперименты, проведённые в лаборатории доктора Сергея Борисенко (IFW Dresden), показали, что не все поверхностные электроны участвуют в сверхпроводимости одинаково. В шести определённых направлениях на поверхности электроны вовсе не образуют пары. Эта необычная картина отражает трёхкратную осевую симметрию расположения атомов на поверхности PtBi₂. В обычных сверхпроводниках электроны спариваются независимо от направления движения, а в некоторых необычных — например, в купратах — наблюдается четырёхкратная симметрия. PtBi₂ стал первым известным сверхпроводником с ограничением спаривания по шести направлениям.

Частицы Майораны и перспективы квантовых технологий

Ещё одна важная особенность PtBi₂ — появление на его краях частиц Майораны, которые считаются перспективными строительными блоками для устойчивых к ошибкам кубитов в будущих квантовых компьютерах. Согласно расчётам, топологическая сверхпроводимость в PtBi₂ автоматически создаёт частицы Майораны вдоль краёв материала. Более того, искусственно формируя ступенчатые края в кристалле, можно получать столько частиц Майораны, сколько потребуется.

Частицы Майораны появляются парами, которые вместе ведут себя как один электрон, но по отдельности обладают уникальными свойствами. Эта концепция «разделения» электрона лежит в основе топологических квантовых вычислений, где кубиты становятся гораздо более устойчивыми к шуму и ошибкам.

Пути управления свойствами PtBi₂

Теперь, когда необычная сверхпроводимость PtBi₂ и связанные с краями частицы Майораны идентифицированы, исследователи сосредотачиваются на управлении этими эффектами. Один из подходов — уменьшение толщины материала, что может превратить внутренний слой из проводящего металла в изолятор и предотвратить вмешательство обычных электронов в работу кубитов на основе Майораны. Другой способ — применение магнитного поля, которое может перемещать частицы Майораны с краёв кристалла к его углам, открывая новые возможности для использования PtBi₂ в качестве платформы для будущих квантовых технологий.