Un nuevo superconductor desafía las reglas de la física conocidas

Un sorprendente descubrimiento realizado por investigadores de la Universidad Técnica de Dresde reveló que un cristal conocido como platino-bismuto-2 (PtBi₂) presenta propiedades superconductoras inusuales. Este cristal, de un brillante color gris, se comporta de manera diferente a otros materiales superconductores, ya que solo sus superficies exteriores permiten que los electrones fluyan sin resistencia, mientras que su interior se comporta como un metal común.

En un estudio previo publicado en 2024, el equipo había demostrado que solo las superficies superior e inferior de PtBi₂ se volvían superconductoras. Sin embargo, los resultados más recientes revelaron que la forma en que los electrones se emparejan en estas superficies es completamente diferente a lo que se había observado hasta ahora. Además, los bordes del cristal albergan partículas de Majorana, que son consideradas prometedoras para la construcción de qubits en computadoras cuánticas del futuro.

Cómo se convierte PtBi₂ en un superconductor topológico

El comportamiento inusual de PtBi₂ se puede entender a través de tres pasos clave. En primer lugar, ciertos electrones están confinados estrictamente a las superficies superior e inferior del cristal, debido a una propiedad topológica que surge de la interacción de los electrones con la estructura atómica ordenada del material. Estas propiedades topológicas son notablemente estables y no cambian a menos que se altere la simetría del material, ya sea modificando la forma del cristal o aplicando un campo electromagnético.

Lo que hace que PtBi₂ sea especialmente notable es que los electrones en la superficie superior siempre están emparejados con electrones correspondientes en la superficie inferior, sin importar el grosor del cristal. Si el cristal se cortara por la mitad, las nuevas superficies expuestas desarrollarían inmediatamente los mismos electrones confinados en la superficie.

Una superficie superconductora con un interior normal

El segundo paso ocurre a bajas temperaturas, donde los electrones confinados en las superficies comienzan a emparejarse, permitiendo que se muevan sin resistencia. Mientras tanto, los electrones en el interior del material no participan en este emparejamiento y continúan comportándose como electrones ordinarios. Esto crea una estructura inusual que los investigadores describen como un sándwich superconductor natural, donde las superficies exteriores conducen electricidad perfectamente, mientras que el interior permanece como un metal normal.

Hasta ahora, se cree que solo un número limitado de materiales alberga superconductividad topológica intrínseca, y PtBi₂ se destaca como uno de los ejemplos más convincentes hasta la fecha.

Un patrón de emparejamiento de electrones nunca antes visto

El último componente del rompecabezas proviene de mediciones de alta resolución realizadas en el laboratorio del Dr. Sergey Borisenko en el Instituto Leibniz de Investigación de Estado Sólido y Materiales. Estos experimentos mostraron que no todos los electrones de la superficie participan por igual en la superconductividad. De hecho, los electrones que se mueven en seis direcciones específicas y equidistantes en la superficie se niegan a emparejarse en absoluto. Este patrón inusual refleja la simetría rotacional de tres veces de cómo están dispuestos los átomos en la superficie de PtBi₂.

En los superconductores convencionales, los electrones se emparejan sin importar la dirección en la que se mueven. Algunos superconductores no convencionales, como los cupratos, muestran emparejamiento direccional con simetría de cuatro veces. Sin embargo, PtBi₂ es el primer superconductor conocido donde el emparejamiento está restringido a un patrón de simetría de seis veces.

"Nunca hemos visto esto antes. No solo PtBi₂ es un superconductor topológico, sino que el emparejamiento de electrones que impulsa esta superconductividad es diferente de todos los demás superconductores que conocemos", afirmó Borisenko. "Aún no entendemos cómo se produce este emparejamiento".

Bordes del cristal que atrapan partículas de Majorana

El estudio también confirmó que PtBi₂ ofrece una nueva y práctica ruta para producir partículas de Majorana, que han sido buscadas durante mucho tiempo en la física de la materia condensada. "Nuestros cálculos demuestran que la superconductividad topológica en PtBi₂ crea automáticamente partículas de Majorana que quedan atrapadas a lo largo de los bordes del material. En la práctica, podríamos crear bordes escalonados en el cristal para generar tantas Majoranas como deseemos", explicó el Prof. Jeroen van den Brink, director del Instituto de Física Teórica de Estado Sólido y principal investigador del Cluster de Excelencia Würzburg-Dresden ct.qmat.

Las partículas de Majorana vienen en pares que, juntas, se comportan como un solo electrón, pero individualmente actúan de maneras fundamentalmente diferentes. Esta idea de dividir efectivamente un electrón es central para la computación cuántica topológica, un enfoque diseñado para crear qubits que sean mucho más resistentes al ruido y a los errores.

Controlando las Majoranas para futuros dispositivos cuánticos

Con la inusual superconductividad de PtBi₂ y las partículas de Majorana atrapadas en sus bordes identificadas, los investigadores están dirigiendo su atención hacia el control de estos efectos. Una estrategia implica adelgazar el material, lo que alteraría el interior no superconductor. Esto podría transformarlo de un metal conductor a un aislante, evitando que los electrones ordinarios interfieran con las Majoranas utilizadas como qubits. Otra estrategia consiste en aplicar un campo magnético, que podría mover las partículas de Majorana desde los bordes del cristal hacia sus esquinas, representando pasos importantes hacia el uso de PtBi₂ como plataforma para futuras tecnologías cuánticas.

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