物理学新突破：“最奇特”拓扑超导体PtBi₂被发现

IT之家 11 月 20 日消息，科技媒体 Phys 昨日（11 月 19 日）发布博文，报道称科学家首次在拓扑材料铂铋（PtBi₂）中，成功证实了一种仅存在于其表面的新型超导现象，相关研究于 11 月 19 日发表在《自然》杂志上。

德国德累斯顿固态与材料研究所（IFW Dresden）与量子材料卓越集群（Cluster of Excellence ct.qmat）的研究人员发现，铂-铋-2 化合物（PtBi₂）内部首次成功结合超导性与拓扑材料两种强大的物理现象。

IT之家注：超导（Superconductivity）现象自百年前被发现以来，一直是物理学研究的重点。当特定材料冷却到足够低的温度时，其电阻会完全消失，电流可以在其中无损耗地流动。

这种独特的性质让超导体在医院的核磁共振成像仪（MRI）、高灵敏度磁场传感器等尖端设备中扮演着不可或缺的角色，是现代科技的重要基石。

另一方面，拓扑材料（Topological Material）是近年来才被发现的一类新型量子材料。其最奇特的性质在于，材料的表面与内部特性截然不同，例如电流只能在其表面稳定流动，而内部则类似绝缘体。

更重要的是，这种表面电流具有极强的稳定性，几乎不受划痕、杂质等外部缺陷的干扰，因此被视为未来量子计算机等前沿技术的理想候选者。

铂-铋-2 化合物外观上它只是一块普通的灰色晶体，但电子在其内部的运动方式却颠覆了以往的认知。该团队继 2024 年证明其表面具有超导性后，此次进一步发现其超导机制的独特性，并证实了其在量子计算领域的巨大潜力。

铂-铋-2 化合物的奇特性质可分三步理解：

首先，它是一种拓扑材料，其电子与晶体原子间的相互作用，让一部分电子被牢固地“限制”在材料的上下表面，这种拓扑性质非常稳定。

其次，在低温条件下，这些被束缚在表面的电子会配对形成超导态，实现零电阻导电，而材料内部的电子则保持普通状态。因此，二铋化铂天然形成了一种“超导三明治”结构：上下两层是超导体，中间夹着普通金属。

最后，莱布尼茨固体与材料研究所的谢尔盖・鲍里先科博士团队通过高分辨率测量发现，二铋化铂的电子配对机制极为特殊。

该材料内部存在着 12 个韦尔锥（Weyl cones），其表面则形成了连接这些锥体的“费米弧”（Fermi arcs）。当材料进入超导状态时，一个关键现象发生了：超导并非出现在整个材料内部，而是主要集中在这些表面的费米弧上。

并非所有表面电子都会配对，沿六个对称方向运动的电子会始终“拒绝”配对。这种现象反映了其表面原子排布的三重旋转对称性。

与常规超导体中电子向各个方向均可配对不同，二铋化铂是首个被证实具有六重旋转对称性受限配对的超导体。鲍里先科博士表示：“我们从未见过这种情况，其电子配对的形成机制目前仍是一个谜。”

这项发现最重要的意义在于，它为捕获难以捉摸的马约拉纳粒子（Majorana particles）提供了全新的途径。理论计算表明，二铋化铂的拓扑超导性，让其边缘能够自动产生并“囚禁”马约拉纳粒子。

这种粒子是构建拓扑量子计算机的基础，其独特的“电子分裂”特性可以有效抵御外界干扰，从而制造出高度稳定的容错量子比特。

有趣的是，铂-铋-2 化合物展现出一种“反常”的拓扑特性：其顶部和底部的表面马约拉纳锥携带的拓扑荷（缠绕数）恰好相反（分别为-1 和 +1），这种非对称现象在纯二维材料中无法实现。

尽管这一发现意义重大，但将其应用于量子计算仍面临挑战。由于铂-铋-2 化合物的材料内部是金属性的，会干扰到表面拓扑准粒子的稳定运行，而这些准粒子的隔离是实现容错量子计算的关键。

不过，研究人员提出了解决方案，例如使用超薄样品来削弱内部体态的影响，或通过施加磁场破坏时间反演对称性，从而精确调控表面的马约拉纳态，使其成为可用的量子比特。