Platyno-bizmut jako wyjątkowy nadprzewodnik
Gdy fizyk tłumaczy, czym jest nadprzewodnik, odpowiedź zazwyczaj brzmi bardzo klasycznie. Jest to materiał, który po odpowiednim schłodzeniu przewodzi prąd bez żadnych strat. W typowym, podręcznikowym przykładzie jest to cecha całej próbki. Obniżamy temperaturę kawałka metalu, a on w całości przechodzi w stan nadprzewodzący. Powierzchnia i środek zachowują się wtedy zgodnie z jednym, wspólnym zestawem reguł mechaniki kwantowej. W ostatnich latach ten prosty obraz zaczął się jednak rozsypywać.
Pojawiły się topologiczne izolatory, w których elektrony na powierzchni zachowują się zupełnie inaczej niż w środku kryształu. Jednocześnie wyścig o praktyczne komputery kwantowe wymusił na fizykach poszukiwanie nadprzewodników zdolnych tworzyć egzotyczne stany brzegowe zwane cząstkami Majorany, idealne kandydatki na bardziej odporne kubity. Gdzieś na przecięciu tych dwóch historii pojawia się pozornie proste, ale bardzo prowokujące pytanie: czy da się zmusić nadprzewodnictwo, by istniało tylko na powierzchni, podczas gdy wnętrze materiału pozostanie zupełnie zwyczajne?
Czytaj też: Domino w świecie atomu zaczęło padać. Valar Atomics pokazuje, że prywatne firmy mogą zmienić reguły gry
Dokładnie taki scenariusz obserwujemy w związku platyno-bizmutu PtBi₂. Zespół z IFW Dresden i klastra doskonałości ct.qmat od kilku lat analizuje ten niepozorny, srebrzysty kryształ i dziś ma już mocne argumenty, że mamy do czynienia z prawdziwym, topologicznym nadprzewodnikiem działającym tylko na powierzchni, którego krawędzie naturalnie więżą stany Majorany. Najnowsze wyniki, opublikowane na łamach Nature, pokazują przy tym typ nadprzewodnictwa, który nie pasuje do żadnego znanego wzorca i nosi charakterystyczną, sześciokrotną symetrię, z którą – jak przyznają sami badacze – fizyka wciąż próbuje nadążyć.
Ten niepozorny szary kryształ łamie podręcznikowe prawa nadprzewodnictwa
PtBi₂ należy do rodziny tzw. półmetali Weyla. W takich kryształach struktura pasm elektronowych w przestrzeni pędu zawiera szczególne punkty, nazywane węzłami Weyla, a na powierzchni pojawiają się otwarte, niezamknięte ścieżki ruchu elektronów, znane jako łuki Fermiego. Pojedynczy łuk na górnej powierzchni nie tworzy samodzielnie pełnej pętli. Domyka się dopiero z partnerem na spodniej stronie, dzięki czemu cały “obwód” elektronowy rozciąga się przez całą grubość próbki.
Taka topologiczna architektura ma kluczową konsekwencję. Dopóki nie zniszczymy globalnej symetrii kryształu, kanały powierzchniowe nie mogą po prostu zniknąć. Można rozłupać kryształ i wytworzyć nowe powierzchnie, a elektronowy krajobraz automatycznie przeorganizuje się tak, by na nowych górnych i dolnych ścianach znów pojawiły się komplementarne łuki Fermiego. Można też kryształ pocienić lub lekko odkształcić, a topologia wciąż zadba o to, by stany powierzchniowe przetrwały. Ta odporność na zaburzenia to wizytówka materiałów topologicznych.
Czytaj też: Co ogrzeje nasze domy? Europa siedzi na energetycznym złocie
Pierwszy naprawdę zaskakujący wynik z Drezna, opisany w 2024 roku, pokazał, że w PtBi₂ nadprzewodnictwo pojawia się nie w całej objętości, lecz przede wszystkim właśnie w tych topologicznych stanach na powierzchni. Pomiary ze skaningowym mikroskopem tunelowym i eksperymenty transportowe pokazały, że określone fragmenty powierzchni przechodzą w stan nadprzewodzący przy temperaturach około 3 K, czyli mniej więcej -270,15°C, podczas gdy wnętrze wykazuje tylko znacznie słabszą szczelinę nadprzewodzącą z temperaturą krytyczną bliską 0,5 K, czyli około -272,65°C. Co więcej, powierzchnia wytrzymuje pola magnetyczne rzędu 2 T, podczas gdy delikatne nadprzewodnictwo objętościowe zanika już poniżej 0,01 T.
W praktyce PtBi₂ zachowuje się jak kwantowa kanapka. Górna i dolna powierzchnia kryształu to cienkie warstwy nadprzewodzące, w których elektrony łączą się w pary Coopera i płyną bez oporu. Pomiędzy nimi, w środku materiału, elektrony pozostają metaliczne i zachowują się bardziej jak w zwykłym przewodniku. Dotychczas inżynierowie, chcąc uzyskać nadprzewodzące interfejsy, musieli łączyć różne materiały w precyzyjnie zbudowane stosy warstw. W PtBi₂ natura sama tworzy taki układ, i to w pojedynczym, stechiometrycznym krysztale.
Nadprzewodnictwo, które “jeździ” po łukach Fermiego
Aby upewnić się, że nadprzewodnictwo na powierzchni jest rzeczywiście związane z topologicznymi stanami, a nie tylko jakimś przypadkowym efektem próbki, badacze sięgnęli po spektroskopię fotoemisyjną z rozdzielczością kątową (ARPES). Wykorzystując zarówno klasyczne promieniowanie ultrafioletowe o energii 21,2 eV, jak i precyzyjny laser 6 eV, zmapowali, jak elektrony na powierzchni PtBi₂ zajmują różne pędy i energie. Dzięki temu mogli bezpośrednio zobaczyć łuki Fermiego i śledzić, jak pojawienie się nadprzewodnictwa otwiera i zamyka szczeliny w tych pasmach elektronowych.
Okazało się, że szczelina nadprzewodząca nie jest wszędzie taka sama. W klasycznych nadprzewodnikach, jak niob, parowanie elektronów ma charakter s falowy i wygląda identycznie w każdym kierunku przestrzeni pędu. W wysokotemperaturowych nadprzewodnikach kupratowych szczelina ma symetrię czterokrotną i zanika w określonych kierunkach diagonalnych, co opisuje się jako parowanie d falowe. PtBi₂ nie wpisuje się w żaden z tych schematów. Na jego stanach powierzchniowych szczelina znika wzdłuż sześciu równoważnych kierunków, zgodnych z trójkrotną symetrią obrotową sieci atomowej na powierzchni.
Ten osobliwy wzór bywa określany jako parowanie i falowe. Nazwa jest raczej skrótem myślowym niż prostą analogią geometryczną, lecz chodzi o to, że pary Coopera niosą tu wyższy moment pędu niż w klasycznych nadprzewodnikach s-falowych czy d-falowych. W PtBi₂ elektrony poruszające się wzdłuż sześciu szczególnych kierunków konsekwentnie odmawiają tworzenia par, podczas gdy w innych kierunkach parują się ochoczo. Żaden inny znany nadprzewodnik nie pokazuje tak czystego, sześciokrotnego ograniczenia reguł parowania.
Z punktu widzenia fizyki materiałowej jest to zarazem fascynujące i kłopotliwe. Mechanizm parowania w PtBi₂ musi jakoś wykorzystywać silne sprzężenie spin-orbita w ciężkich atomach platyny i bizmutu, obecność węzłów Weyla w objętości oraz geometrię łuków Fermiego na powierzchni. Nie powstała jednak jeszcze powszechnie akceptowana teoria mikroskopowa, która z tych składników jednoznacznie wyprowadzałaby i falowe nadprzewodnictwo. Autorzy otwarcie przyznają, że nie wiedzą jeszcze, dlaczego elektrony wybierają akurat taką symetrię. Materiał jest więc jednocześnie obiecującą platformą i nierozwiązaną zagadką.
Cząstki Majorany na krawędziach, nie w środku i potencjał PtBi₂
Egzotyczna symetria parowania w PtBi₂ nie jest jedynie ciekawostką teoretyczną. Topologiczne nadprzewodniki są cenione właśnie dlatego, że potrafią tworzyć związane stany Majorany na swoich krawędziach lub w defektach struktury. To kwazicząstki, które efektywnie zachowują się jak “połowa” elektronu: para cząstek Majorany koduje jeden stan elektronu, a gdy obie są od siebie dostatecznie oddalone, lokalne zaburzenia znacznie trudniej odwracają ten stan. Z tego powodu Majorany uchodzą za obiecujące cegiełki kubitów odpornych na szum i błędy.
Czytaj też: Chińczycy przełamali największą barierę fotowoltaiki. Perowskity wreszcie przestają być tylko obietnicą
Na razie jednak PtBi₂ warto traktować nie jako gotowy chip kwantowy, lecz jako laboratorium pomysłów. W jednym materiale spotykają się tu najważniejsze motywy współczesnej fizyki materii skondensowanej: topologiczne stany powierzchniowe, nietypowe nadprzewodnictwo i wewnętrzne, czyli niewymuszane konstrukcją, stany Majorany, którymi można w zasadzie sterować przez odpowiednie kształtowanie powierzchni. Materiał zmusza teoretyków do poszerzenia klasycznych modeli parowania i wystawia na próbę eksperymentatorów, którzy muszą sprawdzić, jak daleko da się pociągnąć możliwości jednej, konkretnej platformy.