Il platino-bismuto-due (PtBi₂) è un composto intermetallico poco conosciuto al grande pubblico, ma pare sia utile come superconduttore.
Secondo un nuovo studio condotto da ricercatori dell’IFW di Dresda e del Cluster of Excellence ct.qmat, questo cristallo grigio lucente può sembrare ordinario, ma gli elettroni al suo interno si comportano in modi che gli scienziati non avevano mai osservato prima.
In un lavoro precedente pubblicato nel 2024, il team aveva dimostrato che solo le superfici superiore e inferiore di PtBi₂ diventano superconduttrici, cioè permettono agli elettroni di accoppiarsi e fluire senza resistenza. I risultati più recenti rivelano qualcosa di ancora più sorprendente: il modo in cui questi elettroni si accoppiano è diverso da quello di qualsiasi superconduttore conosciuto.
Ancora più intrigante è il fatto che i bordi che circondano queste superfici superconduttrici ospitano naturalmente le elusive particelle di Majorana, considerate promettenti elementi costitutivi per qubit tolleranti agli errori nei futuri computer quantistici.
Come PtBi₂ diventa un superconduttore topologico
Il comportamento insolito di PtBi₂ può essere compreso scomponendolo in tre passaggi chiave.
Per cominciare, alcuni elettroni sono confinati esclusivamente alle superfici superiore e inferiore del cristallo. Questo accade a causa di una proprietà topologica di PtBi₂ che nasce dal modo in cui gli elettroni interagiscono con la struttura atomica ordinata del materiale.
Le proprietà topologiche sono straordinariamente stabili: non cambiano a meno che non venga alterata la simmetria dell’intero materiale, ad esempio rimodellando il cristallo stesso o applicando un campo elettromagnetico.
Ciò che rende PtBi₂ particolarmente sorprendente è che gli elettroni legati alla superficie superiore sono sempre accompagnati da elettroni corrispondenti sulla superficie inferiore, indipendentemente dallo spessore del cristallo. Se il cristallo venisse tagliato a metà, le nuove superfici esposte svilupperebbero immediatamente gli stessi elettroni confinati in superficie.
Una superficie superconduttrice con un interno normale
Il secondo passaggio avviene a basse temperature; gli elettroni confinati alle superfici iniziano ad accoppiarsi, permettendo loro di muoversi senza resistenza e nel frattempo, gli elettroni all’interno del volume del materiale non partecipano a questo accoppiamento e continuano a comportarsi come elettroni ordinari.
Questo crea una struttura insolita che i ricercatori descrivono come un sandwich superconduttore naturale: le superfici esterne conducono elettricità in modo perfetto, mentre l’interno rimane un metallo normale.
Poiché la superconduttività deriva da elettroni di superficie protetti topologicamente, PtBi₂ è classificabile come un superconduttore topologico.
Si ritiene che solo un numero molto limitato di materiali ospiti una superconduttività topologica intrinseca; finora, nessuno di questi candidati era stato supportato da prove sperimentali costantemente solide. PtBi₂ emerge ora come uno degli esempi più convincenti mai osservati.
Uno schema di accoppiamento degli elettroni mai visto prima
L’ultimo tassello del puzzle proviene da misure ad altissima risoluzione eseguite nel laboratorio del dott. Sergey Borisenko presso il Leibniz Institute for Solid State and Materials Research (IFW Dresden) e questi esperimenti hanno mostrato che non tutti gli elettroni di superficie partecipano allo stesso modo alla superconduttività.
Gli elettroni che si muovono in sei direzioni specifiche, equamente distribuite sulla superficie, rifiutano completamente di accoppiarsi: questo schema insolito riflette la simmetria rotazionale trigonale (a tre ordini) della disposizione atomica sulla superficie di PtBi₂.
Nei superconduttori convenzionali, gli elettroni si accoppiano indipendentemente dalla direzione del loro moto. Alcuni superconduttori non convenzionali, inclusi i ben noti cuprati che operano a temperature relativamente elevate, mostrano un accoppiamento direzionale con simmetria quadridirezionale. PtBi₂ è il primo superconduttore noto in cui l’accoppiamento è limitato da una simmetria a sei direzioni.
“Non abbiamo mai visto nulla di simile. PtBi₂ non è solo un superconduttore topologico, ma l’accoppiamento degli elettroni che ne guida la superconduttività è diverso da quello di tutti gli altri superconduttori che conosciamo“, afferma Borisenko. “Non comprendiamo ancora come questo accoppiamento abbia origine“.
Bordi del cristallo che intrappolano particelle di Majorana
Lo studio conferma inoltre che PtBi₂ offre una nuova e pratica via per produrre particelle di Majorana, da tempo ricercate nella fisica della materia condensata.
“I nostri calcoli dimostrano che la superconduttività topologica in PtBi₂ crea automaticamente particelle di Majorana intrappolate lungo i bordi del materiale. In pratica, potremmo creare artificialmente dei gradini nel cristallo per generare tutte le Majorana che vogliamo“, spiega il prof. Jeroen van den Brink, direttore dell’Istituto IFW di Fisica Teorica dello Stato Solido e responsabile principale del Cluster of Excellence ct.qmat Würzburg-Dresda.
Le particelle di Majorana compaiono in coppie che, insieme, si comportano come un singolo elettrone, ma individualmente agiscono in modi fondamentalmente diversi. Questa idea di “scindere” effettivamente un elettrone è centrale nel calcolo quantistico topologico, un approccio progettato per creare qubit molto più resistenti al rumore e agli errori.
Controllare le Majorana per i futuri dispositivi quantistici
Ora che l’insolita superconduttività di PtBi₂ e le particelle di Majorana legate ai bordi sono state identificate, i ricercatori stanno concentrando l’attenzione sul controllo di questi effetti; una strategia consiste nell’assottigliare il materiale, alterando così la regione interna non superconduttrice.
Questo potrebbe trasformarla da metallo conduttore a isolante, impedendo agli elettroni ordinari di interferire con le Majorana utilizzate come qubit.
Un altro approccio prevede l’applicazione di un campo magnetico. Spostando i livelli energetici degli elettroni, un campo magnetico potrebbe potenzialmente trasferire le particelle di Majorana dai bordi del cristallo ai suoi angoli. Queste capacità rappresenterebbero passi fondamentali verso l’utilizzo di PtBi₂ come piattaforma per le future tecnologie quantistiche.
