Tunable Chern superconductivity of PtBi$_2$ in slab geometry

Nella ricerca per costruire la prossima generazione di computer quantistici, gli scienziati sono alla ricerca di un tipo molto specifico di materiale: uno che conduca elettricità senza resistenza e che al contempo ospiti un ordine nascosto e robusto. Questo stato elusivo è noto come superconduttività topologica. A differenza dei superconduttori ordinari, che permettono semplicemente agli elettroni di fluire liberamente, questi materiali esotici possiedono una struttura interna unica che protegge i loro stati quantistici dal venire facilmente sconvolti dal rumore o dalle impurità. La chiave di questa protezione risiede nel comportamento degli elettroni sulla superficie del materiale. In un superconduttore topologico, l'interno è un isolante perfetto, ma i bordi ospitano particelle speciali chiamate modi di Majorana. Queste non sono semplici elettroni ordinari; sono le proprie antiparticelle e sono incredibilmente stabili, il che le rende candidati ideali per memorizzare informazioni quantistiche. Per decenni, la creazione di un tale stato ha richiesto configurazioni complesse che coinvolgevano campi magnetici esterni o strati di materiali diversi. Tuttavia, alcuni anni fa, un materiale chiamato platino bismuto, o PtBi2, è emerso come un candidato promettente che potrebbe raggiungere questo stato naturalmente, senza necessitare di un'ingegneria così complicata.

La sfida con il PtBi2 è che si tratta di un cristallo tridimensionale con una struttura interna complessa. All'interno, agisce come un semimetallo di Weyl, uno stato della materia in cui gli elettroni si comportano come se fossero privi di massa e si muovono in schemi a forma di cono attraverso il panorama energetico. Questi coni sono collegati da percorsi superficiali noti come archi di Fermi. Quando il materiale viene raffreddato a temperature estremamente basse, le sue superfici diventano superconduttrici, ma l'interno rimane metallico. Per sfruttare il potenziale di questo materiale per la tecnologia quantistica, i ricercatori dovevano capire come isolare e controllare la superconduttività superficiale senza l'interferenza del metallo massivo (bulk). In un nuovo studio, un team di fisici ha utilizzato simulazioni al computer per modellare una sottile fetta, o lastra (slab), di questo materiale per vedere come le sue proprietà cambiano riducendo lo spessore. Hanno scoperto che, semplicemente rendendo il materiale più sottile, potevano disattivare efficacemente l'interno metallico, lasciando solo i affascinanti stati superficiali. Ciò ha permesso loro di esplorare come passare il materiale da uno stato banale e ordinario a uno topologico che ospita i desiderati modi di bordo protetti.

I ricercatori hanno costruito un modello digitale semplificato della lastra di PtBi2, concentrandosi sulle caratteristiche essenziali: i dodici coni di Weyl nel bulk e i sei coni di Majorana che appaiono su ciascuna delle due superfici quando diventa superconduttore. Nella loro simulazione, hanno scoperto che lo spessore della lastra funge da potente manopola di controllo. Quando la lastra è spessa, le due superfici sono lontane tra loro e i coni metallici nel mezzo rimangono attivi. Tuttavia, man mano che la lastra viene assottigliata fino a pochi strati atomici, le due superfici iniziano a interagire. Questa interazione causa l'apertura di un gap nei coni metallici del bulk, disattivando efficacemente il metallo al centro e lasciando solo gli stati superficiali come protagonisti attivi. Ciò crea un sistema quasi bidimensionale in cui la fisica è dominata dalle superfici superconduttrici.

Una volta silenziato il bulk, il team ha investigato come controllare gli stati superficiali rimanenti. Hanno identificato due forze contrastanti che determinano se il materiale sia topologicamente interessante o semplicemente ordinario. La prima forza è un accoppiamento naturale tra i coni di Majorana sulla superficie superiore e quelli sulla superficie inferiore. Poiché questi coni hanno proprietà opposte, quando si avvicinano abbastanza, possono ibridarsi e annullarsi a vicenda, creando un gap che è topologicamente banale. Ciò significa che il materiale perderebbe le sue speciali qualità protettive. La seconda forza è un campo magnetico esterno applicato perpendicolarmente alla lastra. Questo campo rompe la simmetria che protegge i coni, ma in un modo che apre un gap che è topologicamente non banale. I ricercatori hanno scoperto che il risultato dipende dall'equilibrio tra queste due forze. Se l'accoppiamento naturale è troppo forte, il materiale diventa ordinario. Ma se un campo magnetico è abbastanza forte da sovrastare questo accoppiamento, il materiale entra in una nuova fase nota come superconduttore di Chern.

In questa fase di superconduttore di Chern, il materiale esibisce una proprietà straordinaria: ospita sei distinti canali di corrente unidirezionali che scorrono lungo i suoi bordi. Questi sono i modi di bordo di Majorana chirali, le particelle stesse che gli scienziati sperano di usare per il calcolo quantistico. Lo studio ha rivelato che il comportamento di questi canali di bordo non è uniforme; dipende fortemente da quale bordo del materiale viene osservato. I ricercatori hanno mappato l'intero sistema e hanno scoperto che la larghezza di questi canali di bordo varia a seconda dell'orientamento del bordo rispetto alla struttura interna del materiale. Su alcuni bordi, i canali sono strettamente confinati, mentre su altri si diffondono di più. Questa variazione è una diretta conseguenza di come gli stati superficiali vengono proiettati sul bordo, un dettaglio che potrebbe essere cruciale per la progettazione di futuri dispositivi.

Il team ha anche esplorato come manipolare il materiale per raggiungere questo stato desiderato. Hanno dimostrato che regolando il potenziale chimico sulla superficie — essenzialmente cambiando la densoità elettronica attraverso il drogaggio o il gating — potevano spostare la posizione dei coni di Majorana nello spazio dei momenti. Questo spostamento cambia la forza con cui i coni superiore e inferiore interagiscono. Regolando attentamente questo potenziale superficiale e applicando un campo magnetico, è possibile navigare il materiale attraverso diverse fasi, passando da uno stato banale a quello topologico di Chern. Le simulazioni suggeriscono che per una lastra di uno spessore specifico, esiste una chiara regione in cui la fase topologica è stabile, circondata da regioni in cui il materiale è o banale o privo di gap (gapless).

Questo lavoro fornisce una chiara tabella di marcia per gli sperimentali che lavorano con il PtBi2. Suggerisce che far crescere semplicemente un cristallo abbastanza sottile potrebbe essere sufficiente per isolare gli stati superficiali topologici. Inoltre, indica che l'applicazione di un campo magnetico o la regolazione della chimica superficiale potrebbe far entrare il materiale nella fase topologica desiderata. I ricercatori avvertono che il loro modello è una rappresentazione semplificata e che i materiali reali contengono ulteriori complessità, come altri stati elettronici che potrebbero interferire. Tuttavia, il nucleo della scoperta rimane robusto: l'interazione tra lo spessore della lastra, il potenziale superficiale e i campi magnetici offre un modo modulabile per accedere a uno stato della materia che ospita canali quantistici protetti e unidirezionali. Se queste previsioni saranno confermate in laboratorio, il PtBi2 potrebbe diventare una piattaforma pratica per realizzare i bit quantistici stabili necessari per la prossima generazione di computing, il tutto senza la necessità delle complesse eterostrutture che sono state richieste finora.