一种名为铂铋二（PtBi₂）的闪亮灰色晶体，隐藏着一个科学家前所未见的电子世界。研究人员发现，只有这种晶体的外表面会变成超导体——允许电子以零电阻流动，而其内部则保持为普通金属。更奇特的是，表面上的电子以一种高度不寻常的模式配对，打破了所有已知的超导规则。

材料PtBi₂（下方金属块）具有超导的顶表面（蓝色）。当该表面的电子配对时（由蓝色波的高度表示），它们会无阻力地移动。就像其他超导体一样，这使得PtBi₂能够使其表面上的磁铁悬浮（漂浮圆盘）。奇怪的是，有六个方向上的电子无法配对，这使得PtBi₂成为一种与众不同的超导体。

一种名为铂铋二（PtBi₂）的材料内部正在发生意想不到的事情。根据德累斯顿莱布尼茨固体与材料研究所（IFW Dresden）和卓越集群ct.qmat的研究人员的一项新研究，这种闪亮的灰色晶体看起来可能很普通，但其内部的电子行为方式却是科学家前所未见的。

在2024年发表的早期工作中，该团队表明，只有PtBi₂的顶部和底部表面会变成超导体，这意味着电子可以配对并无阻力地流动。他们最新的研究结果揭示了更令人惊讶的现象。这些电子的配对方式与任何已知的超导体都不同。更引人入胜的是，这些超导表面周围的边缘自然地承载着难以捉摸的马约拉纳粒子，这些粒子被认为是未来量子计算机中容错量子比特（qubit）的有前景的构建模块。

PtBi₂如何成为拓扑超导体

通过分解为三个关键步骤，可以理解PtBi₂的不寻常行为。

首先，某些电子被严格限制在晶体的顶部和底部表面。这是由于PtBi₂的拓扑特性所致，这种特性源于电子与材料有序原子结构的相互作用方式。拓扑特性非常稳定。除非通过重塑晶体本身或施加电磁场来改变整个材料的对称性，否则它们不会改变。

令PtBi2尤为引人注目的是，无论晶体厚度如何，束缚于其顶面的电子总是与底面的对应电子相匹配。如果将晶体对半切开，新暴露的表面会立即产生相同的表面束缚电子。

表面超导与内部常态

第二步发生在低温条件下。局限于表面的电子开始配对，使它们能够无电阻地移动。与此同时，材料内部的电子不参与这种配对，仍表现为普通电子。

这形成了一种被研究人员描述为“天然超导体三明治”的独特结构：外层表面实现完美导电，而内部保持为普通金属。由于超导性源于受拓扑保护的表面电子，PtBi2可被归类为拓扑超导体。

目前认为仅有少数材料具备本征拓扑超导性。迄今为止，这些候选材料均未获得持续有力的实验证据支持。PtBi2如今脱颖而出，成为最具说服力的例证之一。

前所未见的电子配对模式

谜题的最后一块拼图来自莱布尼茨固体与材料研究所（IFW Dresden）谢尔盖·博里森科博士实验室进行的超高分辨率测量。这些实验表明，并非所有表面电子都平等地参与超导。

在表面沿六个特定且均匀间隔方向运动的电子完全拒绝配对。这种异常模式反映了PtBi2表面原子排列的三重旋转对称性。

在传统超导体中，电子配对不受运动方向影响。包括在较高温度下运行、广为人知的铜氧化物在内的一些非常规超导体，会表现出具有四重对称性的方向性配对。而PtBi2是首个已知的、配对受限于六重对称模式的超导体。

“我们从未见过这种现象。PtBi2不仅是拓扑超导体，其驱动超导性的电子配对机制也不同于所有已知超导体，”博里森科表示，“我们尚未理解这种配对是如何形成的。”

捕获马约拉纳粒子的晶体边缘

该研究还证实，PtBi2为制备马约拉纳粒子提供了一条全新且实用的途径。这种粒子长期以来一直是凝聚态物理学界追寻的目标。

“我们的计算表明，PtBi₂中的拓扑超导性会自动产生被束缚在材料边缘的马约拉纳粒子。在实际操作中，我们可以在晶体中人为制造台阶边缘，从而创造出任意数量的马约拉纳粒子，”IFW理论固体物理研究所所长、维尔茨堡-德累斯顿卓越集群ct.qmat的首席研究员耶龙·范登布林克教授解释道。

马约拉纳粒子成对出现，它们共同行为如同单个电子，但各自的行为方式却根本不同。这种有效“分裂”电子的理念是拓扑量子计算的核心，该方法旨在创造出对噪声和错误具有更强抵抗力的量子比特。

为未来量子器件控制马约拉纳粒子

随着PtBi₂不寻常的超导性和边缘束缚的马约拉纳粒子被确认，研究人员正将注意力转向控制这些效应。一种策略涉及减薄材料，这将改变非超导的内部区域。这可能将其从导电金属转变为绝缘体，从而防止普通电子干扰用作量子比特的马约拉纳粒子。

另一种方法涉及施加磁场。通过改变电子的能级，磁场有可能将马约拉纳粒子从晶体边缘移动到其角落。这些能力将代表着将PtBi₂用作未来量子技术平台的重要步骤。