新型超导体像三明治：表面零电阻 内藏普通金属

近期，物理学家发现新型超导体“铂铋二”内部隐藏着一个人们前所未见的电子世界。这种材料的表面具有超导性，允许电子以零电阻通过，而内部是普通金属状态。令物理学家感到更奇特的是，表面电子配对模式打破了所有已知的超导物理规则，且有望推进量子科学领域。

德国莱布尼茨固体与材料研究所（IFW Dresden）与多国科学家合作，共同发现这种闪亮的灰色晶体“铂铋二”（PtBi?）超导体存在令人意想不到的特性，有望成为量子电脑与量子技术的新平台，并推动未来的量子科学领域。这项研究发表在《自然》（Nature）科学期刊上。

虽然科学家在2024年已经发现“铂铋二”的表面具有超导特性，但最新的深入研究揭示了其表面电子的配对方式与当前已知的超导体截然不同。传统的铜氧化物高温超导体多表现出“d波”（四重对称性），而“铂铋二”则是首个被证实具有“i波”（六重对称性）的超导体。

研究团队指出，“铂铋二”的异常源于其特殊的拓朴性质（即物质在空间连续变形下保持不变的几何性质）。这使得某些电子被严格限制在晶体的上下表面。“铂铋二”的这种拓朴保护非常稳定，除非改变晶体结构或施加强磁场，否则电子状态难以被破坏。

“铂铋二”的独特之处在于它的晶体无论大小如何，其表面束缚的电子始终与里面的电子相匹配。如果将晶体切成两半，新暴露的表面会立即形成相同的束缚电子。

另外，在低温下“铂铋二”表面电子开始配对，且能无阻力地移动。不过，该材料内部的电子不会参与配对，仍然表现得像普通电子一样。研究人员将这种结构形容成“天然的超导三明治”结构，外层表面有极佳导电性，内部只是普通金属。

更令研究人员感到惊奇的是，这些超导表面边缘存在难以捉摸的天然“马约拉纳粒子”。这些粒子被视为建构未来容错量子位元（qubit）的理想材料。

“马约拉纳粒子”主要是成对出现，共同表现得像一个电子，若将它们分开，能用于抵抗环境杂讯，这是“拓朴量子运算”的核心关键。“拓朴量子运算”旨在创建具有更强抵抗力的量子位元，以此应对杂讯和错误。

由于“铂铋二”的异常超导电性、边缘束缚的马约拉纳粒子已被发现，研究人员正致力于控制这些效应，因为这些是利用“铂铋二”作为未来量子技术平台的重要步骤。

其中一种策略是改变材料厚度制成超薄样品，让材料从导电金属转变为绝缘体，减少内部普通电子干扰马约拉纳粒子；另一种方法是施加磁场，让马约拉纳粒子从晶体边缘移动到晶体角落。

研究团队提到，目前认为少数材料具有拓朴超导性（topological superconductor, TSC），但这些材料尚未得到强有力的实验证据支持，只有“铂铋二”是实际的拓朴超导体。因此，该研究也证实了“铂铋二”为生产马约拉纳粒子提供了一种新的实用途径，而马约拉纳粒子一直是凝聚态物理领域长期以来所追求的目标。

论文作者、德国德勒斯登莱布尼茨固体与材料研究所的谢尔盖‧鲍里（Sergey Borisenko）博士对该研究所的新闻室表示，“‘铂铋二’是一种拓扑超导体，它表面超导性的电子配对方式与我们先前认识的超导体都不同。不过，我们目前还不了解这种配对是如何产生的。”

IFW理论固体物理研究所所长杰罗恩‧范登布林克（Jeroen van den Brink）则补充表示，“理论计算显示，‘铂铋二’的拓扑超导性会自动产生马约拉纳粒子，而它们束缚在材料的边缘。实际上，我们可以在晶体中人为地制造台阶边缘，获得任何想要的马约拉纳粒子。”