Di recente i ricercatori dell’IFW Dresden e del Cluster of Excellence ct.qmat hanno annunciato una scoperta senza precedenti: il materiale cristallino PtBi₂ manifesta una nuova forma di superconduttività, caratterizzata da un comportamento topologico e da uno schema di accoppiamento elettronico mai osservato in nessun altro superconduttore. Questo risultato non solo rappresenta un avanzamento fondamentale nella fisica dei materiali, ma offre anche nuove prospettive per la realizzazione di tecnologie quantistiche più stabili, basate sulle elusive particelle di Majorana.
Una superconduttività inedita con simmetria a sei lobi
Negli altri superconduttori, gli elettroni si accoppiano in tutte le direzioni, dando origine a uno stato uniforme e simmetrico. Nei cuprati ad alta temperatura, ad esempio, l’accoppiamento segue una simmetria a quattro lobi. PtBi₂, invece, è il primo materiale conosciuto a mostrare una simmetria a sei lobi, legata alla struttura cristallina tripla sottostante.
Stando a quanto riportato da Interesting Engineering, ciò che distingue PtBi₂ dai superconduttori tradizionali è la sua capacità di esibire questa particolare superconduttività senza ricorrere a condizioni estreme, layering complessi o campi magnetici artificiosi. Questa caratteristica apre possibilità concrete per controllare le particelle di Majorana, progettare architetture di qubit personalizzate e sviluppare dispositivi quantistici più affidabili.
“Non abbiamo mai osservato nulla di simile. PtBi₂ non è solo un superconduttore topologico, ma l’accoppiamento elettronico che lo genera è completamente unico rispetto a qualsiasi altro materiale,” ha spiegato Dr. Sergey Borisenko, tra i principali ricercatori dello studio pubblicato su Nature.
Majorana spontanee e il “sandwich” superconduttivo
Un elemento chiave della scoperta è che lo stato superconduttivo di PtBi₂ produce naturalmente particelle di Majorana, quasiparticelle ipotizzate da tempo che si comportano come “elettroni divisi” e risultano immuni a molti tipi di disturbi quantistici. Il lavoro teorico guidato da Prof. Jerone van den Brink ha evidenziato che queste particelle si concentrano lungo i bordi del cristallo e possono essere generate in numero controllabile attraverso tagli o gradini artificiali della superficie.
I ricercatori spiegano il comportamento unico di PtBi₂ in quattro passaggi. Innanzitutto, gli stati topologici superficiali costringono gli elettroni a muoversi solo sulla superficie, rimanendo stabili anche se il cristallo viene sezionato. In secondo luogo, questi elettroni superficiali diventano superconduttivi a basse temperature, mentre l’interno del cristallo rimane metallico, creando un naturale “sandwich superconduttivo”. Il terzo passaggio riguarda la simmetria a sei lobi, che impedisce agli elettroni di accoppiarsi in sei direzioni specifiche. Infine, la superconduttività topologica genera automaticamente particelle di Majorana lungo i bordi, che possono essere manipolate tramite campi magnetici, assottigliamento del cristallo o gradini artificiali.
Le coppie di Majorana rappresentano una risorsa unica per la memorizzazione di informazioni protetta dagli errori, rendendole fondamentali per i futuri qubit topologici. La possibilità di ottenere tutto ciò senza complicate interfacce o campi esterni rende PtBi₂ una piattaforma promettente e concreta per la prossima generazione di dispositivi quantistici.
I prossimi obiettivi della ricerca includono lo studio di come spostare e controllare queste particelle, ad esempio variando lo spessore del cristallo per passare da uno stato metallico a uno isolante o applicando campi magnetici mirati. Grazie alla simmetria superconduttiva senza precedenti e agli stati topologici robusti, PtBi₂ potrebbe diventare la base su cui costruire computer quantistici più affidabili e resistenti agli errori.
