Поверхностная сверхпроводимость в PtBi₂ открывает путь к стабильным кубитам

Прогресс в экспериментальной точности. (a) Карта поверхности Ферми, полученная с FeSuMa и лампой He-I hν = 21,2 эВ с KT-терминацией. Собранное изображение LEED на монокристалле PtBi₂ показано во вставке. Желтый прямоугольник отмечает положение дуги на карте поверхности Ферми. (b) Дуга становится хорошо разрешенной в поверхности Ферми, наблюдавшейся с лазерным ARPES с hν = 6 эВ (KT-терминация). (c) Распределение интенсивности импульс-энергия, соответствующее импульсному срезу через дугу (DH-терминация). (d) MDC и EDC, построенные вдоль красной и зеленой стрелок на панели (c). Автор: Йерун ван ден Бринк и др.

Исследователи из IFW Dresden и кластера передового опыта ct.qmat обнаружили уникальные свойства материала PtBi₂. Оказалось, что электроны, движущиеся через этот кристалл, демонстрируют поведение, которое ранее никогда не наблюдалось.

В 2024 году команда показала, что верхняя и нижняя поверхности материала обладают сверхпроводимостью — электроны образуют пары и движутся без сопротивления. Теперь же выяснилось, что этот процесс спаривания работает иначе, чем в любом известном сверхпроводнике. При этом края сверхпроводящих поверхностей содержат долгожданные частицы Майораны, которые могут использоваться в качестве отказоустойчивых кубитов в квантовых компьютерах.

Три шага к уникальному топологическому сверхпроводнику

Странную сверхпроводимость PtBi₂ можно объяснить в три этапа. Во-первых, часть электронов ограничена верхней и нижней поверхностями материала — это топологическое свойство PtBi₂. Такие свойства устойчивы и не меняются без изменения симметрии всего материала.

Во-вторых, эти поверхностные электроны образуют пары при низких температурах, позволяя току течь без сопротивления. Остальные электроны ведут себя как обычные. Таким образом, PtBi₂ представляет собой естественный сверхпроводящий «сэндвич» со сверхпроводящими поверхностями и нормальной металлической внутренней частью.

В-третьих, новые высокоточные измерения из лаборатории доктора Сергея Борисенко в IFW Dresden показали, что не все поверхностные электроны спариваются одинаково. Электроны, движущиеся вдоль шести симметричных направлений, упорно отказываются образовывать пары. PtBi₂ стал первым сверхпроводником, демонстрирующим ограниченное спаривание с шестикратной вращательной симметрией.

«Мы никогда не видели этого раньше. PtBi₂ не только является топологическим сверхпроводником, но и спаривание электронов, которое вызывает эту сверхпроводимость, отличается от всех других известных нам сверхпроводников», — говорит Борисенко.

Края материала улавливают неуловимые частицы Майораны

Исследование также подтверждает, что PtBi₂ предлагает новый способ получения частиц Майораны.

«Наши вычисления демонстрируют, что топологическая сверхпроводимость в PtBi₂ автоматически создает частицы Майораны, которые захватываются вдоль краев материала. На практике мы могли бы искусственно создавать ступенчатые края в кристалле, чтобы производить столько частиц Майораны, сколько захотим», — отмечает профессор Йерун ван ден Бринк.

Пара частиц Майораны действует как один электрон, но по отдельности они ведут себя совершенно иначе. Эта концепция «разделенных электронов» лежит в основе топологического квантового вычисления, которое направлено на создание более стабильных кубитов.

Следующим шагом после открытия уникальной сверхпроводимости PtBi₂ и связанных с ней частиц Майораны станет управление ими. Например, уменьшение толщины материала может превратить его внутреннюю часть из проводящего металла в изолятор, что предотвратит вмешательство не-сверхпроводящих электронов в использование частиц Майораны в качестве кубитов.

Дополнительная информация: Йерун ван ден Бринк и др., Топологическая узловая i-волновая сверхпроводимость в PtBi₂, Nature (2025). DOI: 10.1038/s41586-025-09712-6