No trabalho anterior publicado em 2024, a equipe mostrou que apenas as superfícies superior e inferior do PtBi₂ se tornam supercondutoras, o que significa que os elétrons podem se emparelhar e fluir sem resistência. Os resultados mais recentes revelam algo ainda mais surpreendente. A forma 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 promissores blocos de construção 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 confinados estritamente às superfícies superior e inferior do cristal. Isso ocorre devido a uma propriedade topológica do PtBi₂ que surge de como os elétrons interagem com a estrutura atômica ordenada do material. As propriedades topológicas são notavelmente estáveis. Elas não mudam a menos que a simetria de todo o material seja alterada, seja pela reformulação do cristal ou pela aplicação de um campo eletromagnético.

O que torna o PtBi₂ especialmente notável é que os elétrons ligados à superfície superior sempre são correspondidos por elétrons correspondentes na superfície inferior, independentemente da espessura do cristal. Se o cristal fosse 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 do bulk do material não entram nesse 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 da superfície protegidos topologicamente, o PtBi₂ se classifica como um supercondutor topológico.

Apenas um pequeno número de materiais acredita-se que possuam supercondutividade topológica intrínseca. Até agora, nenhum desses candidatos foi apoiado por evidências experimentais consistentemente fortes. O PtBi₂ agora se destaca como um dos exemplos mais convincentes até o momento.

Um Padrão Nunca Visto de Emparelhamento de Elétrons

A última peça do quebra-cabeça vem de medições de alta resolução realizadas no laboratório do Dr. Sergey Borisenko, no Instituto Leibniz de Pesquisa de Sólidos e Materiais (IFW Dresden). Esses experimentos mostraram que nem todos os elétrons da superfície participam igualmente da supercondutividade.

Elétrons movendo-se em seis direções específicas e uniformemente espaçadas na superfície se recusam a se emparelhar. Esse padrão incomum reflete a simetria rotacional de três vezes de como os átomos estão dispostos na superfície do PtBi₂.

Em supercondutores convencionais, os elétrons emparelham independentemente da direção em que viajam. Alguns supercondutores não convencionais, incluindo os conhecidos cupratos que operam a temperaturas relativamente altas, mostram emparelhamento direcional com simetria de quatro vezes. O PtBi₂ é o primeiro supercondutor conhecido em que o emparelhamento é restrito a um padrão de simetria de seis vezes.

“Nunca vimos isso antes. Não apenas o PtBi₂ é um supercondutor topológico, mas o emparelhamento de elétrons que impulsiona essa supercondutividade é diferente de todos os outros supercondutores que conhecemos”, diz Borisenko. “Ainda não entendemos como esse emparelhamento ocorre.”

Bordas do Cristal que Prendem Partículas de Majorana

O estudo também confirma que o PtBi₂ oferece uma nova e prática rota para a produção de partículas de Majorana, que têm sido há muito procuradas na física da matéria condensada.

“Nossas simulações demonstram que a supercondutividade topológica no PtBi₂ cria automaticamente partículas de Majorana que são presas ao longo das bordas do material. Na prática, poderíamos fazer bordas artificiais no cristal, a fim de criar quantas Majoranas quiséssemos”, explica o Prof. Jeroen van den Brink, Diretor do Instituto de Física Sólida Teórica do IFW e pesquisador principal do Cluster de Excelência Würzburg-Dresden ct.qmat.

Partículas de Majorana vêm em pares que, juntas, 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 o afinamento do material, o que alteraria o interior não supercondutor. Isso poderia transformá-lo de um metal condutor em um isolante, impedindo que elétrons comuns interferissem com os Majoranas usados 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.