Свещеният Граал на физиката: открит е материал, който самостоятелно създава перфектни кубити

Физици откриха свръхпроводник със симетрия, която не би трябвало да съществува.

Изследователи от Дрезденския институт IFW и консорциума ct.qmat съобщиха за откриването на необичаен вариант на свръхпроводимост в кристала PtBi₂. В този материал възниква топологично свръхпроводящо състояние с рядък модел на електронни корелации. Този модел на двойни връзки не е срещан преди в твърдите тела и създава условия за появата на Майорановите модове – квазичастици, предсказани от теорията и отдавна наблюдавани само в някои изкуствено създадени структури.

Интересът към PtBi₂ се дължи на факта, че той формира среда за майорановите възбуждания без магнитни полета, сложни интерфейси или многослойни структури. Тези квазичастици се държат като състояния, сякаш са „разделени“ на две части, и рядко реагират на локални смущения. Благодарение на тази стабилност те се разглеждат като основа за топологичните кубити – елементи на квантовите системи, които са по-малко податливи на грешки. При повечето подходи изграждането на архитектурата за постигане на желаните свойства отнема много време. В PtBi₂ желаната конфигурация възниква естествено поради характеристиките на самия кристал.

Най-поразителната характеристика на материала е необичайният механизъм на сдвояване на електроните. В типичните свръхпроводници двойките се образуват симетрично във всички посоки. В купратите симетрията е по-сложна, но остава четиристранна. В PtBi₂ изследователите откриват шестлъчева структура, свързана с трилъчевата симетрия на решетката. Това означава, че по протежение на шест определени посоки изобщо не се образуват двойки. Подобен модел не се вписва в съществуващите модели и се счита за принципно нов тип свръхпроводящо състояние. Причините за този модел остават неизвестни.

Не по-малко важен е и друг ефект: по ръбовете на образеца се образуват майорановите режими. Теоретичните изчисления показват, че тези състояния са фиксирани точно на повърхностните нива, а не в обема на материала. Ето защо промяната на дебелината, създаването на стъпаловидни ръбове или промяната на формата на пластината дава възможност да се контролира разпределението на възбужданията. Тази особеност открива възможност за преместване на майорановите режими почти като елементи на веригата и за анализиране на поведението им в реални образци, а не само в изкуствено сглобени структури.

За да опишат поведението на PtBi₂, изследователите определят няколко последователни етапа. Първо, топологичните повърхностни нива ограничават движението на електроните към горните слоеве – и този ефект не изчезва дори след механичното разцепване на кристала. След това повърхностните носители достигат свръхпроводящо състояние, докато вътрешните слоеве остават метални, образувайки естествена трислойна конфигурация. След това се проявява рядко срещан модел на взаимодействие с шест остриета. А след това на границите се образуват майорановите режими, чието положение може да се променя с помощта на външно поле, промяна на дебелината или създаване на изкуствени степени.

Подобни квазичастици са в състояние да съхраняват информацията във вид, устойчив на локални грешки, поради което се считат за един от най-обещаващите варианти за топологични квантови архитектури. Фактът, че PtBi₂ осигурява всички необходими условия без сложни суперструктури, прави материала особено ценен в контекста на разработването на бъдещи компютри.

Следващото предизвикателство е да се разбере как да се контролира разпределението на майорановите състояния, а не само да се улови тяхното съществуване. Изследователите искат да разберат как се променя подреждането на възбужданията при намаляване дебелината на образеца, под въздействието на магнитно поле или при създаване на изкуствени структури върху повърхността.