Topological superconductors and Majorana fermions based on $X$-wave magnets with $X=p,d,f,g,i$

Nel mondo silenzioso dei materiali solidi, gli elettroni si comportano solitamente come una folla caotica, scontrandosi tra loro e disperdendosi in ogni direzione. Ma sotto le giuste condizioni, possono sincronizzarsi in un unico stato fluido noto come superconduttore, dove l'elettricità scorre senza alcuna resistenza. Per decenni, gli scienziati hanno saputo che questo stato è fragile; di solito collassa nel momento in cui viene introdotto un campo magnetico, che tende a interrompere il delicato accoppiamento degli elettroni. Tuttavia, è emersa una nuova classe di materiali magnetici che sfida questa aspettativa. Questi materiali, chiamati altermagneti e magneti a parità dispari, possiedono una struttura interna unica in cui le forze magnetiche si annullano complessivamente a zero, pur riuscendo comunque a scindere i livelli energetici degli elettroni in base al loro spin. Ciò crea un ordine nascosto che non distrugge la superconduttività ma, al contrario, la modella, aprendo potenzialmente una nuova frontia della fisica in cui l'elettricità potrebbe trasportare informazioni in modi immuni dal rumore e dagli errori che affliggono la tecnologia attuale.

Un ricercatore dell'Università di Tokyo ha ora mappato esattamente come questi magneti esotici interagiscono con i superconduttori, rivelando un panorama di possibilità che dipende interamente dalla specifica forma dell'ordine magnetico. Costruendo modelli computazionali dettagliati di questi materiali su griglie sia quadrate che triangolari, il ricercatore ha esplorato cosa accade quando diversi tipi di magneti vengono accoppiati con elettroni superconduttori. Si è concentrato su una famiglia di magneti etichettati con le lettere p, d, f, g e i, che descrivono i complessi schemi geometrici dei loro campi magnetici interni. Lo studio ha scoperto che questi magneti non si comportano tutti allo stesso modo; al contrario, si dividono in due campi distinti con regole fondamentalmente diverse. Un gruppo, gli altermagneti, che include i tipi d, g e i, rompe una simmetria fondamentale del tempo, mentre l'altro gruppo, i magneti a parità dispari, che include i tipi p e f, la preserva. Questa singola differenza detta se il superconduttore risultante ospiterà un tipo di particella esotica o un altro.

Quando il ricercatore ha accoppiato il superconduttore con gli altermagneti, ha scoperto che l'ordine magnetico stabilizza attivamente uno stato superconduttivo chirale e rotante. In questo stato, gli elettroni si accoppiano in un modo che crea un gap energetico completo, il che significa che non ci sono elettroni liberi che possano disperdersi e causare resistenza. Più importante ancora, questo stato è topologico, un termine che descrive una proprietà del materiale che è robusta rispetto a piccole variazioni, proprio come un nodo che non può essere sciolto senza tagliare la corda. In questi sistemi, i bordi del materiale diventano autostrade per particelle speciali chiamate fermioni di Majorana. Queste particelle sono le proprie antiparticelle e possono viaggiare lungo il bordo senza subire scattering. Il ricercatore ha scoperto che per gli altermagneti a onda d e onda g, questo stato di bordo è caratterizzato da un singolo canale di flusso, ma per l'altermagnete a onda i, la situazione è ancora più straordinaria. Nel caso dell'onda i, emergono simultaneamente due distinti canali di questi stati di bordo, una caratteristica che potrebbe essere cruciale per la costruzione di dispositivi quantistici più complessi.

Al contrario, quando il superconduttore è stato accoppiato con i magneti a parità dispari, il risultato è stato diverso. Poiché questi magneti preservano la simmetria di inversione temporale, non costringono il superconduttore in uno stato chirale rotante. Invece, stabilizzano un altro tipo di ordine topologico in cui le particelle di Majorana non fluiscono solo lungo il bordo in una singola linea, ma formano bande piatte di stati a energia zero. Queste bande piatte sono essenzialmente una vasta e stabile piattaforma di queste particelle esotiche che esiste tra i gap nello spettro energetico del materiale. Il ricercatore ha osservato che, sebbene l'ordine magnetico in questi sistemi causi inevitabilmente un piccolo mescolamento tra gli stati superconduttivi, le bande piatte rimangono straordinariamente robuste. Questa resilienza suggerisce che questi stati potrebbero essere creati e mantenuti in modo affidabile, anche in condizioni reali imperfette.

Lo studio ha inoltre chiarito perché alcuni stati superconduttivi scompaiono in presenza di un forte ordine magnetico mentre altri prosperano. Per gli altermagneti, la tradizionale superconduttività a onda s, che è la forma più comune e isotropa, viene rapidamente distrutta all'aumentare della forza magnetica. Ciò accade perché la scissione magnetica costringe gli elettroni con lo stesso spin a occupare gli stessi stati di quantità di moto, il che contraddice il requisito per cui le coppie di elettroni standard debbano avere spin opposti. Tuttavia, lo stato a onda p chirale, che accoppia elettroni con lo stesso spin, non è solo compatibile con questo ambiente magnetico, ma è anzi stabilizzato da esso. Il ricercatore ha osservato che, con l'aumento della forza magnetica, il materiale passava da un superconduttore standard a questo stato chirale esotico, un passaggio chiaramente visibile nei loro diagrammi di fase.

Variando sistematicamente il potenziale chimico, che controlla il numero di elettroni nel sistema, e la forza delle interazioni tra di essi, il ricercatore ha costruito una mappa completa di queste fasi. Ha scoperto che la specifica struttura reticolare del materiale, sia essa una griglia quadrata o una triangolare, giocava un ruolo decisivo nel determinare quale stato superconduttivo sarebbe emerso. Ad esempio, la superconduttività a onda f, che coinvolge un modello geometrico più complesso, è stata trovata stabile solo sul reticolo triangolare. I risultati confermano che l'interazione tra questi nuovi ordini magnetici e la superconduttività non è una semplice questione di uno che distrugge l'altro, ma piuttosto un dialogo ricco che può produrre stati della materia completamente nuovi. Il lavoro fornisce un modello teorico per identificare quali materiali potrebbero ospitare questi elusivi fermioni di Majorana, guidando gli esperimenti futuri verso le combinazioni specifiche di ordine magnetico e geometria reticolare che hanno maggiori probabilità di successo.