Un comportamiento inesperado se está observando en un material llamado platino-bismuto-dos (PtBi2). Según un nuevo estudio de investigadores del IFW Dresden y el Cluster of Excellence ct.qmat, este cristal gris brillante puede parecer ordinario, pero los electrones en su interior se comportan de maneras que los científicos nunca antes habían observado.
En trabajos previos publicados en 2024, el equipo demostró que solo las superficies superior e inferior de PtBi2 se vuelven superconductores, lo que significa que los electrones pueden emparejarse y fluir sin resistencia. Sus últimos resultados revelan algo aún más sorprendente: la forma en que estos electrones se emparejan es diferente a la de cualquier superconductor conocido. Aún más intrigante, los bordes que rodean estas superficies superconductoras albergan de forma natural partículas de Majorana esquivas, consideradas bloques de construcción prometedores para qubits (bits cuánticos) tolerantes a fallos en futuras computadoras cuánticas.
Cómo PtBi2 se Convierte en un Superconductor Topológico
El comportamiento inusual de PtBi2 puede entenderse dividiéndolo en tres pasos clave.
Para empezar, ciertos electrones están confinados estrictamente a las superficies superior e inferior del cristal. Esto ocurre debido a una propiedad topológica de PtBi2 que surge de la interacción de los electrones con la estructura atómica ordenada del material. Las propiedades topológicas son notablemente estables y no cambian a menos que se altere la simetría de todo el material, ya sea remodelando el cristal o aplicando un campo electromagnético.
Lo que hace que PtBi2 sea especialmente llamativo es que los electrones unidos a la superficie superior siempre se emparejan con electrones correspondientes en la superficie inferior, independientemente del grosor del cristal. Si el cristal se cortara por la mitad, las superficies recién expuestas desarrollarían inmediatamente los mismos electrones unidos a la superficie.
Una Superficie Superconductora con un Interior Normal
El segundo paso ocurre a bajas temperaturas. Los electrones confinados a las superficies comienzan a emparejarse, lo que les permite moverse sin resistencia. Mientras tanto, los electrones dentro del volumen del material no se unen a este emparejamiento y continúan comportándose como electrones ordinarios.
Esto crea una estructura inusual que los investigadores describen como un “sándwich superconductor” natural. Las superficies exteriores conducen la electricidad perfectamente, mientras que el interior permanece como un metal normal. Debido a que la superconductividad proviene de electrones de superficie protegidos topológicamente, PtBi2 se califica como un superconductor topológico.
Se cree que solo un pequeño número de materiales albergan superconductividad topológica intrínseca. Hasta ahora, ninguno de estos candidatos ha contado con evidencia experimental consistentemente sólida. PtBi2 ahora destaca como uno de los ejemplos más convincentes hasta la fecha.
Un Patrón de Emparejamiento de Electrones Nunca Antes Visto
La pieza final del rompecabezas proviene de mediciones de muy alta resolución realizadas en el laboratorio del Dr. Sergey Borisenko en el Leibniz Institute for Solid State and Materials Research (IFW Dresden). Estos experimentos mostraron que no todos los electrones de la superficie participan por igual en la superconductividad.
Los electrones que se mueven en seis direcciones específicas y uniformemente espaciadas en la superficie se niegan a emparejarse. Este patrón inusual refleja la simetría rotacional de tres pliegues de cómo se organizan los átomos en la superficie de PtBi2.
En los superconductores convencionales, los electrones se emparejan independientemente de la dirección en la que viajan. Algunos superconductores no convencionales, incluidos los cupratos bien conocidos que operan a temperaturas relativamente altas, muestran un emparejamiento direccional con una simetría de cuatro pliegues. PtBi2 es el primer superconductor conocido donde el emparejamiento está restringido en un patrón simétrico de seis pliegues.
“Nunca habíamos visto esto antes. No solo PtBi2 es un superconductor topológico, sino que el emparejamiento de electrones que impulsa esta superconductividad es diferente de todos los demás superconductores que conocemos”, afirma Borisenko. “Todavía no entendemos cómo surge este emparejamiento”.
Bordes de Cristal que Atrapan Partículas de Majorana
El estudio también confirma que PtBi2 proporciona una nueva y práctica vía para producir partículas de Majorana, que se han buscado durante mucho tiempo en la física de la materia condensada.
“Nuestros cálculos demuestran que la superconductividad topológica en PtBi2 crea automáticamente partículas de Majorana que quedan atrapadas a lo largo de los bordes del material. En la práctica, podríamos crear artificialmente bordes escalonados en el cristal para crear tantas Majoranas como queramos”, explica el Prof. Jeroen van den Brink, Director del IFW Institute for Theoretical Solid State Physics e investigador principal del Würzburg-Dresden Cluster of Excellence ct.qmat.
Las partículas de Majorana vienen en pares que juntos se comportan como un solo electrón, pero individualmente actúan de maneras fundamentalmente diferentes. La idea de dividir efectivamente un electrón es central para la computación cuántica topológica, un enfoque diseñado para crear qubits que sean mucho más resistentes al ruido y los errores.
Controlando las Majoranas para Futuros Dispositivos Cuánticos
Con la inusual superconductividad de PtBi2 y las partículas de Majorana ligadas a los bordes ahora identificadas, los investigadores están dirigiendo su atención al control de estos efectos. Una estrategia implica adelgazar el material, lo que alteraría el interior no superconductor. Esto podría transformarlo de un metal conductor a un aislante, evitando que los electrones ordinarios interfieran con las Majoranas utilizadas como qubits.
Otro enfoque implica la aplicación de un campo magnético. Al desplazar los niveles de energía de los electrones, un campo magnético podría mover potencialmente las partículas de Majorana de los bordes del cristal a sus esquinas. Estas capacidades representarían importantes pasos hacia el uso de PtBi2 como plataforma para futuras tecnologías cuánticas.
