Algo inesperado está acontecendo dentro de um material chamado bismuto-platina-dois (PtBi2). De acordo com um novo estudo de pesquisadores do IFW Dresden e do Cluster de Excelência ct.qmat, este cristal cinza brilhante pode parecer comum, mas os elétrons em seu interior se comportam de maneiras que os cientistas nunca observaram antes.
Em trabalhos anteriores publicados em 2024, a equipe mostrou que apenas as superfícies superior e inferior do PtBi2 se tornam supercondutoras, permitindo que os elétrons se emparelhem e fluam sem resistência. Os resultados mais recentes revelam algo ainda mais surpreendente. A maneira como esses elétrons se emparelham é diferente de qualquer supercondutor conhecido. Ainda mais intrigante, as bordas que cercam essas superfícies supercondutoras abrigam naturalmente partículas de Majorana, que são consideradas blocos de construção promissores para qubits tolerantes a falhas em futuros computadores quânticos.
Como o PtBi2 Se Torna um Supercondutor Topológico
O comportamento incomum do PtBi2 pode ser compreendido dividindo-o em três etapas principais.
Para começar, certos elétrons estão restritos estritamente às superfícies superior e inferior do cristal. Isso acontece por causa de uma propriedade topológica do PtBi2, que decorre de como os elétrons interagem com a estrutura atômica ordenada do material. As propriedades topológicas são extremamente estáveis. Elas não mudam a menos que a simetria de todo o material seja alterada, seja pela reestruturação do cristal ou pela aplicação de um campo eletromagnético.
O que torna o PtBi2 especialmente notável é que os elétrons ligados à superfície superior estão sempre emparelhados com elétrons correspondentes na superfície inferior, independentemente da espessura do cristal. Se o cristal for cortado ao meio, as superfícies recém-expostas imediatamente desenvolveriam os mesmos elétrons ligados à superfície.
Uma Superfície Supercondutora com um Interior Normal
A segunda etapa ocorre em baixas temperaturas. Os elétrons confinados às superfícies começam a se emparelhar, permitindo que se movam sem resistência. Enquanto isso, os elétrons dentro da parte interna do material não se juntam a esse emparelhamento e continuam a se comportar como elétrons comuns.
Isso cria uma estrutura incomum que os pesquisadores descrevem como um ‘sanduíche supercondutor natural’. As superfícies externas conduzem eletricidade perfeitamente, enquanto o interior permanece um metal normal. Como a supercondutividade vem de elétrons de superfície protegidos topologicamente, o PtBi2 se qualifica como um supercondutor topológico.
Apenas um pequeno número de materiais é considerado capaz de hospedar supercondutividade topológica intrínseca. Até agora, nenhum desses candidatos foi respaldado por evidências experimentais consistentemente robustas. O PtBi2 agora se destaca como um dos exemplos mais convincentes até o momento.
Um Padrão de Emparelhamento de Elétrons Nunca Visto Antes
A última peça do quebra-cabeça vem de medições de alta resolução realizadas no laboratório do Dr. Sergey Borisenko no Instituto Leibniz de Pesquisa em Estado Sólido e Materiais (IFW Dresden). Esses experimentos mostraram que nem todos os elétrons de superfície participam igualmente da supercondutividade.
Os elétrons que se movem em seis direções específicas e uniformemente espaçadas na superfície se recusam a se emparelhar. Esse padrão incomum reflete a simetria rotacional tríplice de como os átomos estão organizados na superfície do PtBi2.
Em supercondutores convencionais, os elétrons se emparelham independentemente da direção em que se movem. Alguns supercondutores não convencionais, incluindo os conhecidos cupratos que operam a temperaturas relativamente altas, mostram emparelhamento direcional com simetria de quatro. O PtBi2 é o primeiro supercondutor conhecido onde o emparelhamento é restrito a um padrão de simetria seis.
“Nunca vimos isso antes. O PtBi2 não apenas é um supercondutor topológico, mas o emparelhamento de elétrons que impulsiona essa supercondutividade é diferente de todos os outros supercondutores que conhecemos”, afirma Borisenko. “Ainda não entendemos como esse emparelhamento ocorre.”
Bordas do Cristal que Prendem Partículas de Majorana
O estudo também confirma que o PtBi2 fornece uma nova e prática rota para a produção de partículas de Majorana, que são há muito procuradas na física da matéria condensada.
“Nossas simulações demonstram que a supercondutividade topológica no PtBi2 cria automaticamente partículas de Majorana que são aprisionadas ao longo das bordas do material. Na prática, poderíamos criar bordas artificiais no cristal, para criar quantas mais Majoranas quisermos”, explica o Prof. Jeroen van den Brink, Diretor do Instituto de Física Teórica do IFW e investigador principal do Cluster de Excelência Würzburg-Dresden ct.qmat.
As partículas de Majorana vêm em pares que juntos se comportam como um único elétron, mas individualmente agem de maneiras fundamentalmente diferentes. Essa ideia de efetivamente dividir um elétron é central para a computação quântica topológica, uma abordagem projetada para criar qubits que são muito mais resistentes a ruídos e erros.
Controlando Majoranas para Dispositivos Quânticos Futuros
Com a supercondutividade incomum do PtBi2 e as partículas de Majorana ligadas às bordas agora identificadas, os pesquisadores estão voltando sua atenção para o controle desses efeitos. Uma estratégia envolve afinar o material, o que alteraria o interior não supercondutor. Isso poderia transformá-lo de um metal condutor em um isolante, impedindo que elétrons comuns interferissem nas Majoranas utilizadas como qubits.
Outra abordagem envolve a aplicação de um campo magnético. Ao deslocar os níveis de energia dos elétrons, um campo magnético poderia potencialmente mover partículas de Majorana das bordas do cristal para seus cantos. Essas capacidades representariam passos importantes em direção ao uso do PtBi2 como uma plataforma para futuras tecnologias quânticas.