新发现的超导体打破了物理学家的原有认知

2024年发表的早期研究中，团队发现PtBi₂（二铋化铂）只有顶面和底面具有超导性，即电子可配对并无电阻流动。最新研究结果更令人惊讶：这些电子的配对方式不同于任何已知超导体，且超导表面边缘自然存在难以捕捉的马约拉纳粒子，这种粒子被视为未来量子计算机中容错量子比特的潜在构建块。

PtBi₂如何成为拓扑超导体
PtBi₂的特殊行为可通过三个关键步骤来理解。

首先，特定电子被严格限制在晶体的顶面和底面。这源于PtBi₂的拓扑性质，该性质由电子与材料有序原子结构的相互作用产生，且非常稳定，除非通过重塑晶体或施加电磁场改变材料整体对称性，否则不会改变。

PtBi₂的特别之处在于，无论晶体厚度如何，顶面束缚的电子总与底面的对应电子相匹配。若将晶体切成两半，新暴露的表面会立即产生相同的表面束缚电子。

表面超导、内部正常的结构
第二步发生在低温下。表面受限电子开始配对，实现无电阻移动，而材料内部的电子不参与配对，仍表现为普通电子。

这形成了研究人员所说的“天然超导体三明治”结构：外表面完美导电，内部仍是正常金属。由于超导性来自拓扑保护的表面电子，PtBi₂属于拓扑超导体。

目前已知具有本征拓扑超导性的材料极少，且尚无候选材料得到持续有力的实验证据支持，而PtBi₂是迄今最具说服力的例子之一。

前所未有的电子配对模式
谜题的最后一块来自德累斯顿莱布尼茨固体与材料研究所（IFW Dresden）Sergey Borisenko博士实验室的超高分辨率测量。实验显示，并非所有表面电子都同等参与超导——表面上沿六个特定、等间隔方向运动的电子完全不配对。这种特殊模式反映了PtBi₂表面原子排列的三重旋转对称性。

传统超导体中，电子无论运动方向均会配对；包括高温铜氧化物在内的一些非常规超导体呈四重对称定向配对。而PtBi₂是已知首个配对受六重对称模式限制的超导体。

“我们从未见过这种情况。PtBi₂不仅是拓扑超导体，驱动其超导性的电子配对方式还与所有已知超导体不同，”Borisenko表示，“我们尚不清楚这种配对如何产生。”

捕获马约拉纳粒子的晶体边缘
研究还证实，PtBi₂为产生马约拉纳粒子提供了新的实用途径，这种粒子在凝聚态物理中一直是研究热点。

“我们的计算表明，PtBi₂中的拓扑超导性会自动产生被困在材料边缘的马约拉纳粒子。实际上，我们可在晶体中人工制造台阶边缘，按需产生尽可能多的马约拉纳粒子，”IFW理论固态物理研究所所长、维尔茨堡-德累斯顿卓越集群ct.qmat首席研究员Jeroen van den Brink教授解释道。

马约拉纳粒子成对出现，共同表现得像单个电子，但单个粒子行为截然不同。这种有效“分裂电子”的理念是拓扑量子计算的核心，该方法旨在制造对噪声和错误抵抗力更强的量子比特。

未来量子器件的马约拉纳粒子控制
随着PtBi₂的特殊超导性和边缘束缚马约拉纳粒子被确认，研究人员正致力于控制这些效应。一种策略是减薄材料，改变非超导内部，使其从导电金属变为绝缘体，防止普通电子干扰用作量子比特的马约拉纳粒子。

另一种方法是施加磁场：通过改变电子能级，磁场或能将马约拉纳粒子从晶体边缘移至角落。这些能力是将PtBi₂用作未来量子技术平台的重要一步。