Topologische materialen zijn vreemd. Die materialen hebben aan de randen andere eigenschappen dan in de rest van het materiaal. Platinabismutide (PtBi₂) is zo’n vreemd materiaal. Dat ziet eruit als een gewoon glanzend grijs kristal, maar de elektronen die erdoorheen bewegen doen dingen die nog nooit eerder zijn gezien, ontdekten onderzoekers van, onder meer, IFW Dresden; ook niet bij andere topologische materialen.
In 2024 toonde onderzoekers aan dat de randen van een plak PtBi₂ beneden een bepaalde temperatuur (ergens tussen de 10K en 15K oftewel tussen de -263°C en -258°C) supergeleidend zijn, wat betekent dat elektronen zogeheten Cooperparen vormen en zich zonder weerstand bewegen.
Nu onthullen ze dat deze paring anders werkt dan bij alle supergeleiders die ze eerder hebben gezien. Ook zouden de randen rond de supergeleidende gedeelten de lang gezochte Majoranadeeltjes bevatten, die mogelijk kunnen worden gebruikt als fouttolerante kwantumbits (kwabits) in kwantumcomputers, waarvan nog steeds het bestaan wordt betwijfeld in natuurkundekringen.

Vreemd gedrag

In PtBi₂ blijven sommige elektronen ‘opgesloten’ aan de randen van het materiaal. Dat is dus die zogenaamde ’topologische’ eigenschap. Die zou veroorzaakt worden door wisselwerkingen tussen de elektronen en de netjes gerangschikte atomen in het kristallijne materiaal binnen die randen.
Die eigenschappen zijn ‘hard’. Die veranderen alleen als je de symmetrie van het hele materiaal verandert, door de volledige kristalstructuur te veranderen, het materiaal te verzagen of door een elektromagnetisch veld aan te leggen.

In PtBi₂ worden de elektronen die aan de randen gebonden zijn, aangevuld met de elektronen die aan de overzijde gebonden zijn, ongeacht hoeveel atoomlagen er tussen deze oppervlakken liggen. Als je het kristal doormidden snijdt, bevatten de nieuwe randen automatisch ook complementaire elektronen die aan het oppervlak gebonden zijn.
Die gebonden elektronen paren bij lage temperaturen, waardoor dat deel supergeleidend wordt. De rest van de elektronen vormt geen paren en blijft zich gedragen als normale elektronen. Dit maakt PtBi₂ tot een natuurlijke topologische supergeleidender. Er is slechts een handvol andere kandidaatmaterialen waarvan wordt aangenomen dat die zich ook zo gedragen. Tot op heden is daar echter nog steeds geen hard bewijs voor geleverd.

Met hoge-resolutiemetingen hebben Sergey Borisenko van het Leibnizinstituut voor Vastestof en Materiaalonderzoek (IFW Dresden) en collega’s ontdekt dat niet alle aan het oppervlak gebonden elektronen gelijkelijk paren. Opmerkelijk is dat oppervlakte-elektronen die zich langs zes symmetrische richtingen bewegen, resoluut weigeren te paren. Deze richtingen weerspiegelen de drievoudige rotatiesymmetrie van hoe de atomen op het oppervlak van het materiaal zijn gerangschikt.

In normale supergeleiders paren alle elektronen, ongeacht in welke richting ze bewegen. Sommige onconventionele supergeleiders, zoals de cupraatmaterialen die bekend staan ​​om hun supergeleiding bij hogere temperaturen, hebben een beperktere paring met een viervoudige rotatiesymmetrie. PtBi₂ is de eerste supergeleider die beperkte paring met een zesvoudige rotatiesymmetrie vertoont.
Borisenko: “We hebben dit nog nooit eerder gezien. PtBi₂ is niet alleen een topologische supergeleider, maar de elektronenparing die deze supergeleiding aandrijft, verschilt van alle andere supergeleiders die we kennen. We begrijpen nog niet hoe deze paring tot stand komt.”

Majoranadeeltjes

“Onze berekeningen tonen aan dat de topologische supergeleiding in PtBi₂ automatisch Majoranadeeltjes creëert die langs de randen van het materiaal gevangen zitten”, zegt medeonderzoeker Jeroen van den Brink, directeur van het IFW-instituut voor theoretische vastestoffysica. “In de praktijk zouden we kunstmatig stapranden in het kristal kunnen maken om zoveel Majorana’s te creëren als we willen,”
Een paar Majorana-deeltjes gedraagt ​​zich als één elektron, maar individueel gedragen die zich heel anders. Dit concept van ‘gesplitste elektronen’ vormt de basis voor topologisch kwantumrekenen, die gericht is op het bouwen van stabielere kwabits. De scheiding van Majoranadeeltjesparen beschermen die tegen ruis en fouten.

Door de topologische supergeleiding van PtBi₂ en de ‘meegeleverde’ Majoranadeeltjes is de volgende stap die eigenschap te sturen. Door het materiaal bijvoorbeeld dunner te maken, verandert de niet-supergeleidende ‘binnenvulling’, waardoor deze mogelijk van een geleidend metaal in een isolator verandert.
Dit betekent ook dat de niet-supergeleidende elektronen het gebruik van de Majoranadeeltjes als kwbits niet kunnen verstoren. Het aanleggen van een magnetisch veld daarentegen verschuift de energieniveaus van de elektronen, waardoor de Majoranadeeltjes bijvoorbeeld van de randen naar de hoeken van het materiaal kunnen bewegen.

Bron: phys.org