نوشته‌ی دانشگاه فنی درسدن، ۲۵ نوامبر ۲۰۲۵ – ماده‌ی PtBi2 (بلوک فلزی پایینی) دارای یک سطح بالایی ابررسانا (آبی) است. جایی که الکترون‌های این سطح جفت می‌شوند، که با ارتفاع موج آبی نشان داده می‌شود، بدون مقاومت حرکت می‌کنند. درست مانند سایر ابررساناها، این به PtBi₂ اجازه می‌دهد تا یک آهنربا را بالای سطح خود (دیسک شناور) معلق کند. جالب اینجاست که شش جهت وجود دارد که الکترون‌ها قادر به جفت شدن در آنها نیستند و PtBi2 را به یک ابررسانا برخلاف سایر ابررساناها تبدیل می‌کند. منبع: think-design یوخن تام
یک مطالعه‌ی جدید نشان می‌دهد که PtBi2، یک کریستال با ظاهری معمولی، میزبان یک شکل کاملاً جدید از ابررسانایی است که به سطوح بالایی و پایینی آن محدود می‌شود.
اتفاقی غیرمعمول در داخل ترکیب پلاتین-بیسموت-دو (PtBi2) در حال رخ دادن است. تحقیقات جدید دانشمندان در IFW Dresden و Cluster of Excellence ct.qmat نشان می‌دهد که اگرچه PtBi2 به نظر یک کریستال فلزی استاندارد است، اما الکترون‌های درون آن به گونه‌ای رفتار می‌کنند که هرگز در مواد دیگر مشاهده نشده است.
در سال 2024، همین گروه کشف کرد که سطوح بالا و پایین PtBi2 ابررسانا می‌شوند، به این معنی که الکترون‌های این سطوح جفت شده و بدون مقاومت حرکت می‌کنند. آخرین نتایج آنها نشان می‌دهد که این جفت شدن از قوانینی پیروی می‌کند که برخلاف قوانین هر ابررسانای شناخته شده‌ای است. حتی جالب‌تر اینکه، لبه‌های اطراف این مناطق ابررسانا میزبان ذرات مایورانا گریزان هستند که می‌توانند به عنوان بیت‌های کوانتومی مقاوم در برابر خطا (کیوبیت‌ها) برای رایانه‌های کوانتومی آینده عمل کنند.
ما می‌توانیم ابررسانایی عجیب PtBi2 را در سه مرحله تجزیه کنیم.
اول، الکترون‌های خاصی به سطوح بالا و پایین ماده محدود می‌شوند. این رفتار نشان‌دهنده یک ویژگی «توپولوژیکی» PtBi2 است که توسط نحوه تعامل الکترون‌ها با چیدمان منظم اتم‌ها در کریستال ایجاد می‌شود. ویژگی‌های توپولوژیکی بسیار پایدار هستند: آنها بدون تغییر باقی می‌مانند مگر اینکه تقارن کلی ماده تغییر کند، چه با تغییر ساختار کریستالی و چه با اعمال یک میدان الکترومغناطیسی.
در PtBi2، الکترون‌های محدود شده به سطح بالا، صرف نظر از اینکه چند لایه اتمی آنها را از هم جدا می‌کند، همیشه الکترون‌های متناظری در سطح پایین دارند. اگر کریستال به دو قسمت تقسیم شود، هر سطح تازه در معرض دید، به طور طبیعی مجموعه مکمل خود از الکترون‌های محدود شده به سطح را ایجاد می‌کند.
دوم، این الکترون‌های متصل به سطح در دماهای پایین جفت می‌شوند و به آنها اجازه می‌دهند بدون هیچ مقاومتی حرکت کنند. بقیه الکترون‌ها جفت نمی‌شوند و مانند الکترون‌های معمولی رفتار می‌کنند. این باعث می‌شود PtBi2 یک ساندویچ ابررسانای طبیعی باشد، با سطوح بالا و پایین ابررسانا و یک فضای داخلی فلزی معمولی.
ماهیت توپولوژیکی الکترون‌های سطحی، PtBi2 را به یک ابررسانای توپولوژیکی تبدیل می‌کند. تنها تعداد انگشت‌شماری از مواد کاندید دیگر وجود دارند که تصور می‌شود ابررسانایی توپولوژیکی ذاتی دارند و تا به امروز هیچ‌کدام از این موارد با شواهد تجربی قانع‌کننده، سازگار یا قطعی پشتیبانی نشده‌اند.
در نهایت، اندازه‌گیری‌های جدید و منحصر به فرد با وضوح بالا از آزمایشگاه دکتر سرگئی بوریسنکو در موسسه تحقیقات حالت جامد و مواد لایب‌نیتس IFW درسدن نشان می‌دهد که همه الکترون‌های متصل به سطح به طور مساوی جفت نمی‌شوند. نکته قابل توجه این است که الکترون‌های سطحی که در امتداد شش جهت متقارن حرکت می‌کنند، قاطعانه از جفت شدن امتناع می‌کنند. این جهت‌ها، تقارن چرخش سه‌گانه نحوه چیدمان اتم‌ها در سطح ماده را منعکس می‌کنند.
در ابررساناهای معمولی، همه الکترون‌ها صرف نظر از جهت حرکتشان جفت می‌شوند. برخی از ابررساناهای غیرمتعارف، مانند مواد کوپرات که به ابررسانایی در دماهای بالاتر معروف هستند، جفت شدن محدودتری با تقارن چرخش چهارگانه دارند. PtBi2 اولین ابررسانایی است که جفت شدن محدود با تقارن چرخش شش‌گانه را نشان می‌دهد.
بوریسنکو می‌گوید: «ما قبلاً هرگز چنین چیزی ندیده بودیم. PtBi2 نه تنها یک ابررسانای توپولوژیکی است، بلکه جفت شدن الکترونی که این ابررسانایی را هدایت می‌کند با تمام ابررساناهای دیگری که می‌شناسیم متفاوت است. ما هنوز نمی‌دانیم که این جفت شدن چگونه اتفاق می‌افتد.»
مطالعه جدید همچنین تأیید می‌کند که PtBi2 راهی جدید برای تولید ذرات مایورانا که مدت‌ها به دنبال آن بودیم، ارائه می‌دهد.
پروفسور یرون ون دن برینک، مدیر موسسه فیزیک نظری حالت جامد IFW و محقق اصلی خوشه تعالی Würzburg-Dresden ct.qmat، خاطرنشان می‌کند: «محاسبات ما نشان می‌دهد که ابررسانایی توپولوژیکی در PtBi2 به طور خودکار ذرات مایورانا را ایجاد می‌کند که در امتداد لبه‌های ماده به دام می‌افتند. در عمل، ما می‌توانیم به طور مصنوعی لبه‌های پله‌ای را در کریستال ایجاد کنیم تا هر تعداد مایورانا که می‌خواهیم ایجاد کنیم.»
یک جفت ذره مایورانا به عنوان یک الکترون واحد عمل می‌کند، اما به صورت جداگانه رفتار بسیار متفاوتی دارند. این مفهوم «الکترون‌های شکافته شده» پایه و اساس توپولوژی است.محاسبات کوانتومی فیزیکی، که هدف آن ساخت کیوبیت‌های پایدارتر است. جداسازی جفت ذرات مایورانا، آنها را در برابر نویز و خطا محافظت می‌کند.
اکنون که ابررسانایی منحصر به فرد PtBi2 و ذرات مایورانا مرتبط با آن کشف شده‌اند، گام بعدی کنترل آنهاست. به عنوان مثال، نازک کردن ماده، «پر کردن ساندویچ» غیر ابررسانا را تغییر می‌دهد و به طور بالقوه آن را از یک فلز رسانا به یک عایق تبدیل می‌کند. این همچنین بدان معنی است که الکترون‌های غیر ابررسانا نمی‌توانند در استفاده از مایوراناها به عنوان کیوبیت اختلال ایجاد کنند. از طرف دیگر، اعمال یک میدان مغناطیسی، سطوح انرژی الکترون را تغییر می‌دهد و به عنوان مثال می‌تواند باعث شود ذرات مایورانا از لبه‌ها به گوشه‌های ماده حرکت کنند.
