Hogyan válik a PtBi2 topologikus szupravezetővé?
A kristály rendhagyó viselkedése három lépésben érthető meg. Először is bizonyos elektronok kizárólag a kristály felső és alsó felületére szorulnak, amiben szerepet játszanak a PtBi2 atomi szerkezetéből eredő, igen stabil topologikus tulajdonságai. Ezek a jellemzők csak akkor változnak, ha a kristály szimmetriáját megbolygatják, például alakváltozással vagy elektromágneses mezővel.
Következésképpen a felszíni elektronok mindig megtalálhatók – akárhányszor elvágják a kristályt, az új felületeken azonnal kialakul ugyanez az elektronréteg.
Szupravezető héj, fémes mag
Hidegben a külső elektronok párokba rendeződnek, lehetővé téve, hogy ellenállás nélkül mozogjanak, míg a belső elektronok nem vesznek részt ebben, és ugyanúgy viselkednek, mint bármely más fémben. Arra lehet következtetni, hogy a keletkező struktúra – tökéletesen vezető felszínek és normál fémes belső mag – természetes szupravezető-szendvicset alkot. Mivel a szupravezetés a topológiailag védett felszíni elektronoktól ered, a PtBi2 valódi topologikus szupravezetőnek számít.
Mindeddig néhány anyagról feltételezték, hogy belső topologikus szupravezetést mutat, de még egyet sem sikerült kétségbevonhatatlanul igazolni – a PtBi2 most az egyik legmeggyőzőbb példa.
Sosem látott elektronpárosodási minta
A történet azonban itt nem ér véget. Nagy felbontású mérésekből kiderült, hogy a szupravezető felületeken az elektronok nem minden irányban képeznek párokat. Hat, szabályosan elhelyezkedő irányban egyáltalán nincs párosodás, ami a kristály háromszoros forgási szimmetriáját tükrözi. Hagyományos szupravezetőknél az elektronok irányfüggetlenül párosodnak, sőt, vannak négyes szimmetriájú, úgynevezett magashőmérsékletű kuprát-szupravezetők is. A PtBi2 az első, ahol a párosodást hat hajszálpontos irányban tiltja meg a természet, ezzel abszolút különleges szupravezetőt hozva létre.
A kristályéleken csapdázott Majorana-részecskék
A különleges felszíni elektronpárosodás egy másik dologra is lehetőséget ad: a kristály élein természetesen jelennek meg az úgynevezett Majorana-részecskék. Ezek a furcsa kvázirészecskék olyan különleges viselkedést mutatnak – párosával egyetlen elektronként viselkednek, ám egyenként teljesen más szabályokat követnek –, amelyek rendkívül ellenálló kvantumbiteket tesznek lehetővé, forradalmasítva a jövő kvantumszámítógépeit.
A PtBi2 nemcsak hogy automatikusan létrehozza ezeket a kvantuminformációban ígéretes Majorana-részecskéket az élein, hanem a kristály lépcsős éleinek mesterséges formázásával gyakorlatilag tetszőleges mennyiségben tudnánk előállítani őket.
Új lehetőségek a kvantumgépek előtt
Következésképpen a kutatók most azon dolgoznak, hogyan szabályozhatnák ezeket a hatásokat. Ha sikerülne a kristályt elvékonyítani, az elszigetelhetné a fémes belső elektronokat, így azok nem zavarnák a Majorana-kvantumbiteket. Egy másik út a mágneses tér alkalmazása: ennek hatására akár a kristály sarkaira is áthelyezhetnénk a Majorana-részecskéket, így tovább növelve a PtBi2 lehetséges szerepét a jövő kvantumtechnológiájában.
