Μια νέα μελέτη αποκαλύπτει ότι το PtBi₂, ένας κατά τα άλλα συνηθισμένος κρύσταλλος, φιλοξενεί μια εντελώς νέα μορφή υπεραγωγιμότητας που περιορίζεται αποκλειστικά στις επάνω και κάτω επιφάνειές του. Κάτι ασυνήθιστο συμβαίνει μέσα στην χημική ένωση πλατίνας-βισμουθίου-δύο (PtBi₂).
Συγκεκριμένα, μία νέα έρευνα από επιστήμονες στο IFW Dresden και στο Cluster of Excellence ct.qmat δείχνει ότι, παρόλο που το PtBi₂ φαίνεται να είναι ένας τυπικός μεταλλικός κρύσταλλος, τα ηλεκτρόνια στο εσωτερικό του συμπεριφέρονται με τρόπους που δεν έχουν παρατηρηθεί ποτέ σε άλλα υλικά.
Το 2024, η ίδια ερευνητική ομάδα ανακάλυψε ότι οι επάνω και κάτω επιφάνειες του PtBi₂ γίνονται υπεραγώγιμες, πράγμα που σημαίνει ότι τα ηλεκτρόνια σε αυτές τις επιφάνειες σχηματίζουν ζεύγη και κινούνται χωρίς αντίσταση. Τα τελευταία τους αποτελέσματα δείχνουν ότι αυτό το «ζευγάρωμα» ακολουθεί κανόνες διαφορετικούς από εκείνους οποιουδήποτε γνωστού υπεραγωγού.
Ακόμη πιο ενδιαφέρον είναι ότι οι άκρες που περιβάλλουν αυτές τις υπεραγώγιμες περιοχές φιλοξενούν σωματίδια Majorana, τα οποία θα μπορούσαν να χρησιμεύσουν ως κβαντικά bit (qubits) ανθεκτικά σε σφάλματα για μελλοντικούς κβαντικούς υπολογιστές.
Τρία βήματα για έναν μοναδικό τοπολογικό υπεραγωγό
Μπορούμε να αναλύσουμε την παράξενη υπεραγωγιμότητα του PtBi₂ σε τρία βήματα. Πρώτον, ορισμένα ηλεκτρόνια περιορίζονται στις επάνω και κάτω επιφάνειες του υλικού. Αυτή η συμπεριφορά αντιπροσωπεύει μια «τοπολογική» ιδιότητα του PtBi₂, που δημιουργείται από τον τρόπο με τον οποίο τα ηλεκτρόνια αλληλεπιδρούν με την τακτική διάταξη των ατόμων στον κρύσταλλο. Τα τοπολογικά χαρακτηριστικά είναι εξαιρετικά σταθερά: παραμένουν αμετάβλητα εκτός εάν αλλοιωθεί η συνολική συμμετρία του υλικού, είτε με τροποποίηση της κρυσταλλικής δομής είτε με εφαρμογή ηλεκτρομαγνητικού πεδίου.
Στο PtBi₂, τα ηλεκτρόνια που περιορίζονται στην επάνω επιφάνεια έχουν πάντα αντίστοιχα στην κάτω επιφάνεια, ανεξάρτητα από το πόσες ατομικές στρώσεις τα χωρίζουν. Αν ο κρύσταλλος κοβόταν στα δύο, κάθε νεοεκτεθειμένη επιφάνεια θα ανέπτυσσε αυτόματα το δικό της συμπληρωματικό σύνολο ηλεκτρονίων που περιορίζονται στην επιφάνεια.
Δεύτερον, αυτά τα ηλεκτρόνια που δεσμεύονται στην επιφάνεια σχηματίζουν ζεύγη σε χαμηλές θερμοκρασίες, επιτρέποντάς τους να κινούνται χωρίς καμία αντίσταση. Τα υπόλοιπα ηλεκτρόνια δεν σχηματίζουν ζεύγη και συνεχίζουν να συμπεριφέρονται όπως τα κανονικά ηλεκτρόνια. Αυτό καθιστά το PtBi₂ ένα φυσικό «σάντουιτς» υπεραγωγού, με υπεραγώγιμες επάνω και κάτω επιφάνειες και ένα κανονικό μεταλλικό εσωτερικό.
Η τοπολογική φύση των ηλεκτρονίων της επιφάνειας καθιστά το PtBi₂ έναν τοπολογικό υπεραγωγό. Υπάρχουν μόνο μια χούφτα άλλα υποψήφια υλικά που θεωρείται ότι έχουν εγγενή τοπολογική υπεραγωγιμότητα, και μέχρι σήμερα κανένα από αυτά δεν υποστηρίζεται από πειστικά συνεπή ή οριστικά πειραματικά δεδομένα.
Τέλος, νέες μετρήσεις μοναδικά υψηλής ανάλυσης από το εργαστήριο του Δρ. Sergey Borisenko στο Ινστιτούτο Leibniz για Έρευνα Στερεάς Κατάστασης και Υλικών (IFW Dresden) αποκαλύπτουν ότι δεν «ζευγαρώνουν» το ίδιο όλα τα ηλεκτρόνια που δεσμεύονται στην επιφάνεια.
Αξιοσημείωτα, τα ηλεκτρόνια της επιφάνειας που κινούνται κατά μήκος έξι συμμετρικών κατευθύνσεων αρνούνται επίμονα να ζευγαρώσουν. Αυτές οι κατευθύνσεις αντικατοπτρίζουν τη τριπλή συμμετρία περιστροφής του τρόπου με τον οποίο είναι διατεταγμένα τα άτομα στην επιφάνεια του υλικού.
Σε κανονικούς υπεραγωγούς, όλα τα ηλεκτρόνια σχηματίζουν ζεύγη ανεξάρτητα από την κατεύθυνση στην οποία κινούνται. Σε ορισμένους μη συμβατικούς υπεραγωγούς, όπως τα υλικά χαλκού που είναι γνωστά για την επίτευξη υπεραγωγιμότητας σε υψηλότερες θερμοκρασίες, το ζευγάρωμα είναι πιο περιορισμένο και ακολουθεί τετραπλή συμμετρία. Το PtBi₂ είναι ο πρώτος υπεραγωγός που παρουσιάζει περιορισμένο ζευγάρωμα με εξαπλή περιστροφική συμμετρία.
«Δεν έχουμε ξαναδεί ποτέ κάτι τέτοιο. Το PtBi₂ δεν είναι απλώς ένας τοπολογικός υπεραγωγός — το ζευγάρωμα των ηλεκτρονίων που οδηγεί στην υπεραγωγιμότητα αυτή είναι διαφορετική από κάθε άλλη γνωστή μορφή υπεραγωγιμότητας», λέει ο Borisenko. «Ακόμη δεν κατανοούμε πώς προκύπτει αυτός ο σχηματισμός ζευγών».
Οι άκρες παγιδεύουν άπιαστα σωματίδια Majorana
Η νέα μελέτη επιβεβαιώνει επίσης ότι το PtBi₂ προσφέρει έναν νέο τρόπο δημιουργίας των πολυπόθητων σωματιδίων Majorana.
«Οι υπολογισμοί μας καταδεικνύουν ότι η τοπολογική υπεραγωγιμότητα στο PtBi₂ δημιουργεί αυτόματα σωματίδια Majorana που παγιδεύονται κατά μήκος των άκρων του υλικού. Στην πράξη, θα μπορούσαμε τεχνητά να δημιουργήσουμε βαθμιδωτές άκρες στον κρύσταλλο, για να παράγουμε όσα σωματίδια Majorana θέλουμε», σημειώνει ο καθηγητής Jeroen van den Brink, Διευθυντής του Ινστιτούτου IFW για τη Θεωρητική Φυσική Στερεάς Κατάστασης και κύριος ερευνητής της Ομάδας Αριστείας Würzburg-Dresden ct.qmat.
Ένα ζευγάρι σωματιδίων Majorana δρα ως ένα ενιαίο ηλεκτρόνιο, αλλά μεμονωμένα συμπεριφέρονται πολύ διαφορετικά. Αυτή η ιδέα των «σχισμένων ηλεκτρονίων» αποτελεί το θεμέλιο για τον τοπολογικό κβαντικό υπολογισμό, ο οποίος στοχεύει στην κατασκευή πιο σταθερών qubits. Ο διαχωρισμός των ζευγών σωματιδίων Majorana τα προστατεύει από θόρυβο και σφάλματα.
Τώρα που η μοναδική υπεραγωγιμότητα του PtBi₂ και τα σχετιζόμενα σωματίδια Majorana έχουν εντοπιστεί, το επόμενο βήμα είναι να ελεγχθούν. Για παράδειγμα, αν το υλικό γίνει πιο λεπτό, το μη-υπεραγώγιμο «ενδιάμεσο στρώμα» μπορεί να μετατραπεί από μέταλλο σε μονωτή. Αυτό σημαίνει ότι τα μη-υπεραγώγιμα ηλεκτρόνια δεν θα μπορούν να επηρεάσουν τη χρήση των Majorana ως qubits. Εναλλακτικά, η εφαρμογή μαγνητικού πεδίου μπορεί να μεταβάλει τα ενεργειακά επίπεδα των ηλεκτρονίων και, για παράδειγμα, να μετακινήσει τα σωματίδια Majorana από τις άκρες προς τις γωνίες του υλικού.
Δεν υπάρχουν σχόλια:
Δημοσίευση σχολίου