德累斯顿IFW的研究人员和卓越集群ct.qmat于11月19日宣布，他们在晶体材料PtBi₂中发现了一种新的超导性。这种超导性表现出一种拓扑特性和前所未见的电子配对模式。
这一实验的发现为生成稳定的马约拉纳粒子开辟了新途径，这些粒子被视为未来量子技术的基础。
PtBi₂是本征材料，不需要复杂的工程或特殊条件。这一特性为控制马约拉纳粒子、设计定制的量子比特架构以及构建更稳定的量子设备提供了可能。
新发现的六重对称性
大多数 超导体 允许电子在所有方向上配对，形成平滑、对称的超导状态。即使在高温铜氧化物超导体中，电子配对也呈现出四重对称性。
但是，PtBi₂ 是首个显示六重限制配对现象的材料，这一特性与晶体的三重对称性密切相关。
“我们从来没有见过这样的现象。PtBi₂ 不仅是一种拓扑超导体，而且驱动这种超导性的电子配对方式与我们已知的所有其他超导体都不一样，”实验研究员谢尔盖·博里森科博士说道。
“我们还不明白这种配对是怎么形成的，”他继续说道。
马约拉纳粒子的自动形成
研究人员确认，PtBi₂中的超导状态自然产生马约拉纳粒子。这些粒子是难以捉摸的、长期以来被假设的准粒子，表现得像“分裂的电子”一样，并且对很多量子噪声形式都免疫。
由Jerone van den Brink教授主导的理论研究表明，这些马约拉纳模式被限制在材料的边缘。有趣的是，研究人员可以通过切割晶体或设计阶梯边缘，生成所需数量的边缘马约拉纳粒子。
剖析PtBi₂的异常行为
为了更好地解释这一发现，研究人员将PtBi₂的异常行为分成四个步骤。首先，拓扑表面态使得电子只能存在于晶体的外层；即使材料被切割，这些状态依然保持完整。
在第二步，这些表面电子在低温下变为超导态。在这个过程中，内部仍然保持金属状态，形成一种自然的“超导三明治”结构。
第三，在六个关键方向上的电子完全不配对，显示出前所未有的六重对称性。
最后，这种拓扑超导性会自动在边缘产生马约拉纳粒子——这些粒子可以通过磁场、减薄材料或制造人工阶梯边缘来移动或控制。
马约拉纳对可以以一种固有的方式编码信息，从而保护其免受错误影响；因此，它们被认为是拓扑量子计算机中稳定量子比特的主要候选者。
未来展望
研究人员现在的目标是探索如何操控马约拉纳态，例如，通过减薄晶体来调节其内部状态，从金属转变为绝缘体，或者通过施加磁场来改变准粒子的位置。
凭借PtBi₂前所未有的超导对称性和稳定的拓扑边缘，科学家们现在可能找到一个实用的平台来构建下一代量子设备。
热门跟贴