晶体也玩人格分裂,表面超导内部金属态,PtBi₂改写拓扑超导理论
创始人
2025-12-31 18:10:03
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德国德累斯顿的实验室里,一块不起眼的灰色晶体最近让全球物理学家集体"震惊"。

这东西叫二铋化铂(PtBi₂),听着像某种工业废料,干的事却一点不废料它表面能实现超导,电流零电阻嗖嗖跑,翻过来瞅里面,嘿,还是普通金属,该咋导电咋导电。

这种"表里不一"的操作,可不是材料学的小打小闹,搞不好要给量子计算指条新道,超导这词咱们听着熟,医院核磁共振机器里就有超导磁铁。

但以前的超导材料,要么得冻到接近绝对零度(-273℃),要么就得整块材料都变成超导态,像给整栋楼都装空调,费钱还难控制。

PtBi₂倒好,只在表面那层"铺瓷砖",里面该干嘛干嘛,这种"精准打击"的思路,让不少老教授感慨:"搞了一辈子超导,没想到晶体还能这么玩。"

晶体也玩"表里不一"?

你猜怎么着?这事儿最开始是个意外,德国莱布尼茨研究所的谢尔盖·鲍里先科团队,本来是想研究PtBi₂的拓扑性质,结果降温一测电阻,发现这晶体表面电阻突然掉到零超导了!可同时测内部,电阻没啥变化,还是金属样。

团队反复测了三次,以为仪器坏了,换了块新晶体,结果一模一样,这种"表面超导、内部金属"的状态,在超导百年历史里从没见过。

以前发现的超导体,不管是1911年昂内斯搞的水银,还是1986年高温超导革命里的铜氧化物,都是"要么全超导,要么全普通"。

就像一块面包,要么整个发霉,要么都新鲜,PtBi₂倒好,表皮发霉里面还能吃,你说怪不怪,更离谱的是表面电子的"舞蹈姿势"。

普通超导体里,电子配对是"各向同性"的,就像跳广场舞,朝哪个方向动都一样,高温超导体稍微讲究点,是四重对称,像跳十字步。

但PtBi₂表面的电子配对,居然是"六重对称"电子在六个方向上有"禁行线",只能沿着特定轨道跑。

这姿势,连理论物理学家都懵了,"翻遍BCS理论(传统超导微观理论),也找不着这种对称模式啊!"

为啥会这样?后来才搞明白,这跟晶体表面的原子排列有关,PtBi₂表面的原子是三重旋转对称,就像个等边三角形,电子在这种格子里跑,自然会被"框"出六重对称的路径。

这就好比在六边形跑道上跑步,你想斜着跑都不行,只能顺着边跑,这种"晶体结构决定电子行为"的发现,等于给超导理论补了块新拼图。

容错量子计算有戏了?

聊到这,就得提个更玄乎的东西马约拉纳费米子,1937年,意大利物理学家马约拉纳开了个脑洞:会不会有一种粒子,它自己就是自己的反粒子?就像你照镜子,镜子里的人跟你长得一样,还真是你自己。

这想法当时没人当真,直到量子计算火了,大家才发现这玩意儿有多香,普通量子比特为啥难搞?因为它太"脆弱"。

就像个玻璃杯,随便碰一下就碎,信息立马丢,这叫"量子退相干",是量子计算的死敌。

但马约拉纳费米子不一样,它自己就是自己的反粒子,干扰来了能自己抵消,相当于给量子比特穿了"防弹衣",微软2018年就想用量子线诱导出这东西,折腾半天也没稳定住。

可PtBi₂不一样,德国ct.qmat卓越集群的理论计算显示,这晶体的拓扑超导边缘,能"自发"产生马约拉纳费米子。

不用你费劲搭设备诱导,它自己就长出来了,就像在晶体边缘开了个"天然托儿所",这差别,就像从"手工插秧"到"机器播种",效率直接拉满。

当然了,想把这"托儿所"变成"量子芯片工厂",还得解决几个麻烦,最大的问题就是晶体内部的"熊孩子"那些导电的电子,可能会干扰边缘的马约拉纳费米子,让它"失忆"。

就像你在图书馆看书,旁边总有小孩吵吵闹闹,根本静不下心,科学家们想出了两招。

一招叫"瘦身计划",把PtBi₂晶体磨薄,薄到5纳米以下(大概几十层原子厚),理论上说内部可能会从金属变成绝缘体,这下"熊孩子"就安静了。

这思路跟石墨烯有点像,单层石墨烯和多层石墨烯,脾气完全不一样,另一招更绝,叫"磁场牧羊术"。

给晶体加个磁场,用磁场把内部电子"赶到"一边,给马约拉纳费米子腾出空间,这就像放羊时用牧羊犬把羊群圈到草场一角,让小羊羔在另一边安心吃奶。

当然了,这磁场强度、方向都得算得刚刚好,不然可能把马约拉纳费米子也"赶跑"了,从实验室发现到真正造出容错量子计算机,中间还差着十万八千里。

但PtBi₂的出现,至少让咱们看到了一条靠谱的路,以前搞量子计算,总觉得像在沙漠里找水,不知道哪片沙子底下有希望。

现在发现这块"双面晶体",就像看到了远处的绿洲虽然还远,但方向对了,这事儿也给搞科研的提了个醒:有时候最颠覆的发现,可能藏在最不起眼的地方。

PtBi₂不是啥新合成的材料,以前谁也没觉得它能超导,就因为团队没按常理出牌,想研究拓扑性质,才撞出了这个大发现。

所以说,搞科学别总盯着"热门赛道",偶尔往"冷门胡同"里瞅瞅,说不定就捡到宝了。

最后啰嗦一句,量子计算这东西,现在听着离咱们挺远,可一旦真搞成了,密码破译、新药研发、材料设计,全得变天。

而PtBi₂这种"表面超导"的新思路,说不定就是打开那扇门的钥匙,至于这钥匙好不好用,还得看科学家们接下来怎么"打磨"了反正我是挺期待的,你呢?

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