Algo inesperado está acontecendo dentro de um material chamado platina-bismuto-dois (PtBi2). De acordo com um novo estudo realizado por pesquisadores do IFW Dresden e do Cluster of Excellence ct.qmat, esse cristal cinza brilhante pode parecer comum, mas os elétrons dentro dele se comportam de uma maneira que os cientistas nunca observaram antes.
Num artigo anterior publicado 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 mostram algo ainda mais surpreendente. A forma como esses elétrons são combinados é diferente de qualquer supercondutor conhecido. Ainda mais intrigante, as bordas que cercam essas superfícies supercondutoras contêm 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
Comportamento incomum de PtBi2 pode ser entendido dividindo-o em três etapas principais.
Para começar, alguns elétrons estão confinados estritamente às superfícies superior e inferior do cristal. Isto é devido à propriedade topológica do PtBi2 que surge da maneira como os elétrons interagem com a estrutura atômica ordenada do material. As propriedades topológicas são extremamente estáveis. Eles não mudam a menos que a simetria de todo o material seja alterada, seja pela alteração da forma do próprio cristal ou pela aplicação de um campo eletromagnético.
O que o PtBi faz2 o que é particularmente surpreendente é que os elétrons associados à superfície superior sempre correspondem aos elétrons correspondentes na superfície inferior, não importa a espessura do cristal. Se um cristal for cortado ao meio, os mesmos elétrons ligados à superfície aparecerão imediatamente nas superfícies recém-expostas.
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 se ligam a esse par 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 são excelentes condutoras de eletricidade, enquanto a parte interna permanece em metal comum. 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 tenha supercondutividade topológica intrínseca. Até agora, nenhum destes candidatos foi consistentemente apoiado por fortes evidências experimentais. PtBi2 agora se destaca como um dos exemplos mais convincentes.
Um modelo de emparelhamento de elétrons nunca antes visto
A peça final do quebra-cabeça consiste em medições de resolução excepcionalmente alta realizadas no laboratório do Dr. Sergei Borisenko no Instituto Leibniz de Pesquisa de Estado Sólido e Materiais (IFW Dresden). Esses experimentos mostraram que nem todos os elétrons da superfície estão igualmente envolvidos 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 PtBi.2.
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, exibem acoplamento direcional com simetria quádrupla. PtBi2 é o primeiro supercondutor conhecido onde o emparelhamento está confinado a um padrão simétrico sêxtuplo.
“Nunca vimos nada assim antes. Não é apenas PtBi2 supercondutor topológico, mas o emparelhamento de elétrons que causa essa supercondutividade é diferente de todos os outros supercondutores que conhecemos”, diz Barysenko. “Ainda não entendemos como esse emparelhamento acontece.”
Bordas de cristais que capturam partículas de manjerona
O estudo também confirma que PtBi2 fornece uma rota nova e prática para as tão procuradas partículas Magyarand na física da matéria condensada.
“Nossos cálculos demonstram que a supercondutividade topológica em PtBi2 cria automaticamente partículas Majorana que permanecem nas bordas do material. Na prática, poderíamos fazer faces escalonadas artificialmente no cristal para criar qualquer número de Majoranas, “explica o professor 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. Essa ideia de divisão eficiente de elétrons é central para a computação quântica topológica, uma abordagem projetada para criar qubits muito mais robustos a ruídos e erros.
Controlando Majoranas para futuros dispositivos quânticos
Com PtBi2Com a supercondutividade incomum e as partículas de borda Magyarn agora identificadas, os pesquisadores estão voltando sua atenção para o controle desses efeitos. Uma das estratégias envolve o desbaste do material, o que alterará o interior não supercondutor. Isso pode transformá-lo de um metal condutor em um isolante, evitando que elétrons comuns interfiram nas Majoranas usadas como qubits.
Outra abordagem envolve a aplicação de um campo magnético. Ao mudar os níveis de energia dos elétrons, o campo magnético pode potencialmente mover as partículas de Majorana das bordas do cristal para os cantos. Essas capacidades serão um passo importante para o uso do PtBi2 como plataforma para futuras tecnologias quânticas.
