PtBi2: Il “panino” superconduttore che riscrive le leggi della fisica quantistica

Sembra un cristallo grigio e lucido come tanti altri, ma al suo interno il PtBi2 (platino-bismuto-due) nasconde un comportamento che sta facendo grattare la testa ai fisici di mezzo mondo. Secondo un nuovo studio condotto dai ricercatori dell’IFW di Dresda e del Cluster di Eccellenza ct.qmat, questo materiale non è solo un superconduttore, ma rappresenta una classe completamente nuova di materia che potrebbe essere la chiave di volta per i computer quantistici del futuro.

Ebbene, cosa sta succedendo esattamente in questo cristallo?

Un comportamento mai visto prima

Già nel 2024, il team aveva dimostrato che il PtBi2 possiede una caratteristica peculiare: diventa superconduttore – ovvero permette agli elettroni di flusso senza resistenza – solo sulle sue superfici superiore e inferiore. L’interno, o “bulk”, rimane un normale metallo. Tuttavia, i nuovi dati ottenuti tramite spettroscopia di fotoemissione risolta in angolo (ARPES) hanno rivelato qualcosa di ancora più sorprendente: il modo in cui gli elettroni si accoppiano non somiglia a nulla di noto.

Possiamo scomporre questo fenomeno in tre fasi chiave per comprenderlo meglio:

• Il confinamento topologico: Alcuni elettroni sono strettamente confinati sulle superfici del cristallo a causa della struttura atomica ordinata del materiale. È una proprietà “topologica”, il che significa che è estremamente stabile: non cambia a meno che non si deformi fisicamente il cristallo o si applichi un forte campo elettromagnetico. Curiosamente, gli elettroni sulla superficie superiore sono sempre accoppiati a quelli sulla superficie inferiore, indipendentemente dallo spessore del materiale.

• L’effetto Sandwich: A basse temperature, questi elettroni superficiali si accoppiano e si muovono senza resistenza. L’interno del materiale, invece, continua a comportarsi normalmente. I ricercatori descrivono questa struttura come un “sandwich superconduttore naturale”, una sruttura che coinvolge solo le superfici esterne.

• La simmetria impossibile: Qui arriva la vera novità. Negli esperimenti condotti nel laboratorio del Dr. Sergey Borisenko, si è scoperto che non tutti gli elettroni superficiali partecipano alla festa. Ci sono sei direzioni specifiche in cui gli elettroni si rifiutano di accoppiarsi.

  

  a, mappa della superficie di Fermi osservata con un FeSuMa e una lampada He-I con hν = 21,2 eV da terminazione di tipo kagome. Inserto, immagine di diffrazione di elettroni a bassa energia raccolta su cristallo singolo PtBi2. Il riquadro giallo indica la posizione dell’arco sulla mappa della superficie di Fermi. b, L’arco risulta ben risolto nella superficie di Fermi osservata con ARPES laser con hν = 6 eV (terminazione di tipo kagome). c, Distribuzione dell’intensità momento-energia corrispondente al taglio di momento attraverso l’arco (terminazione a nido d’ape decorata). d, Curva di distribuzione del momento e curva di distribuzione dell’energia tracciate lungo le frecce rosse e verdi in c.

La simmetria “i-wave” e le particelle di Majorana

Nei superconduttori convenzionali (come il piombo), l’accoppiamento degli elettroni è uniforme (simmetria s-wave). Nei superconduttori ad alta temperatura, spesso c’è una simmetria a quattro direzioni (d-wave). Il PtBi2 è il primo caso noto di superconduttore con una simmetria a sei direzioni (teorizzata come i-wave).

“Non abbiamo mai visto nulla del genere prima”, afferma Borisenko. “Non solo il PtBi2 è un superconduttore topologico, ma l’accoppiamento elettronico che lo guida è diverso da tutti gli altri superconduttori conosciuti”.

Ma perché questo dettaglio tecnico dovrebbe interessare a chi non è un fisico teorico? La risposta sta in una parola: Majorana. I fermioni di Majorana sono particelle che si presentano in particolari stati di superconduttività e che furono terizzati proprio dal fisico italiano.

Le simulazioni indicano che questa specifica superconduttività topologica crea automaticamente particelle di Majorana intrappolate lungo i bordi del materiale. Queste particelle sono il “Santo Graal” della fisica della materia condensata perché agiscono come se fossero mezzo elettrone.

Verso il Computer Quantistico tollerante agli errori

La capacità di ospitare particelle di Majorana rende il PtBi2 un candidato ideale per i qubit topologici. A differenza dei qubit attuali, che sono estremamente fragili e sensibili al rumore ambientale, i qubit basati su particelle di Majorana sarebbero intrinsecamente protetti dagli errori.

I ricercatori stanno ora lavorando su due strategie per sfruttare questa scoperta:

1. Assottigliare il materiale: Rendendo il cristallo più sottile, l’interno potrebbe trasformarsi da metallo a isolante, impedendo agli elettroni normali di interferire con i preziosi stati di Majorana.

2. Campi magnetici: Applicando un campo magnetico, si potrebbero spostare le particelle di Majorana dai bordi agli angoli del cristallo, permettendo un controllo preciso necessario per il calcolo quantistico. La superconduttività sarebbe ottenibile solo in alcuni punti della superficie.

Siamo di fronte a un materiale che unisce fisica fondamentale esotica e potenziali applicazioni pratiche rivoluzionarie. Una rarità che potrebbe presto uscire dai laboratori per entrare nell’industria dell’hardware avanzato.

Domande e risposte

Perché il PtBi2 è considerato unico rispetto ad altri superconduttori? La maggior parte dei superconduttori ha un accoppiamento elettronico uniforme o a quattro direzioni. Il PtBi2 mostra una simmetria a sei direzioni (i-wave), mai osservata prima. Inoltre, si comporta come un “sandwich”: le superfici conducono elettricità senza resistenza grazie a proprietà topologiche protette, mentre l’interno rimane un metallo normale. Questa combinazione lo rende un superconduttore topologico intrinseco, una classe di materiali estremamente rara e ricercata.

Cosa sono le particelle di Majorana e perché sono importanti? Le particelle di Majorana sono entità esotiche che agiscono come la propria antiparticella. Nel contesto del PtBi2, emergono ai bordi del cristallo e si comportano come “mezzi elettroni”. Sono cruciali per lo sviluppo dei computer quantistici perché possono essere utilizzate per creare qubit topologici. Questi qubit sono molto più stabili e resistenti agli errori rispetto alle tecnologie attuali, risolvendo uno dei maggiori ostacoli del calcolo quantistico: la decoerenza.

Quali sono le prossime sfide per l’utilizzo pratico di questo materiale? La sfida principale è il controllo. I ricercatori devono isolare gli stati di Majorana dalle interferenze degli elettroni normali presenti all’interno del materiale. Le strategie attuali prevedono l’assottigliamento fisico del cristallo per rendere l’interno isolante o l’uso di campi magnetici per spostare le particelle di Majorana in posizioni specifiche (come gli angoli del cristallo). Solo allora sarà possibile utilizzarle come “mattoni” per processori quantistici funzionanti.

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