Новый сверхпроводник нарушает правила, которые физики считали незыблемыми

Листайте вправо, чтобы увидеть больше изображений

Физики обнаружили, что дивисмутид платины является топологическим сверхпроводником 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 показала, что сверхпроводимость в PtBi₂ возникает только 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 чрезвычайно устойчивы и не меняются без внешнего воздействия.

Примечательно, что электроны на верхней поверхности всегда имеют «партнеров» на нижней, независимо от толщины кристалла. Если разрезать его пополам, на новых поверхностях немедленно появятся такие же связанные электроны.

Самым неожиданным открытием стал характер спаривания электронов. Измерения исключительно высокого разрешения показали, что электроны, которые движутся 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, например знаменитые купраты, демонстрируют четырехкратную симметрию спаривания. Но шестикратная симметрия обнаружена впервые.

Материал PtBi₂ (нижний металлический блок) имеет сверхпроводящую верхнюю поверхность (синяя). В местах, где электроны на этой поверхности образуют пары, что показано высотой синей волны, они движутся без сопротивления. Как и другие сверхпроводники, это позволяет PtBi₂ удерживать магнит над своей поверхностью (плавающий диск). Любопытно, что существует шесть направлений, вдоль которых электроны не могут образовывать пары, что делает PtBi₂ сверхпроводником, не похожим ни на один другой.

«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 этом 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, но 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.

Ранее ученые разгадали тайну сверхпроводника, который работает под огромным давлением.