Un rapport de 2017 sur la découverte d'un type particulier de fermion de Majorana, le fermion chiral de Majorana, appelée "particule d'ange" - est probablement une fausse alarme, selon de nouvelles recherches. Les fermions de Majorana sont des particules énigmatiques qui agissent comme leur propre antiparticule et dont l'existence a été supposée pour la première fois en 1937. Ils présentent un immense intérêt pour les physiciens car leurs propriétés uniques pourraient leur permettre d'être utilisés dans la construction d'un ordinateur quantique topologique.

Une équipe de physiciens de Penn State et de l'Université de Würzburg en Allemagne dirigée par Cui-Zu Chang, un professeur adjoint de physique à Penn State a étudié plus de trois douzaines d'appareils similaires à celui utilisé pour produire la particule d'ange dans le rapport de 2017. Ils ont découvert que la caractéristique qui était prétendument la manifestation de la particule d'ange était peu susceptible d'être induite par l'existence de la particule d'ange. Un article décrivant la recherche paraît le 3 janvier 2020 dans la revue Science .

"Lorsque le physicien italien Ettore Majorana a prédit la possibilité d'une nouvelle particule fondamentale qui serait sa propre antiparticule, il n'aurait pas pu imaginer les implications à long terme de son idée imaginative, " dit Nitin Samarth, Chef du département de Downsbrough et professeur de physique à Penn State. "Plus de 80 ans après la prédiction de Majorana, les physiciens continuent de rechercher activement des signatures du « fermion Majorana » encore insaisissable dans divers coins de l'univers. »

Dans un tel effort, les physiciens des particules utilisent des observatoires souterrains qui cherchent à prouver si la particule fantomatique connue sous le nom de neutrino - une particule subatomique qui interagit rarement avec la matière - pourrait être un fermion de Majorana. Sur un tout autre front, les physiciens de la matière condensée cherchent à découvrir des manifestations de la physique de Majorana dans des dispositifs à l'état solide qui combinent des matériaux quantiques exotiques avec des supraconducteurs. Dans de tels appareils, les électrons sont théorisés pour se déguiser en fermions de Majorana en cousant ensemble un tissu construit à partir des aspects fondamentaux de la mécanique quantique, physique relativiste, et topologie. Cette version analogue des fermions de Majorana a particulièrement retenu l'attention des physiciens de la matière condensée car elle peut fournir une voie pour la construction d'un "ordinateur quantique topologique" dont les qubits (versions quantiques des 0 et des 1 binaires) sont intrinsèquement protégés de la décohérence environnementale - la perte de informations qui résultent du fait qu'un système quantique n'est pas parfaitement isolé et constituent un obstacle majeur au développement des ordinateurs quantiques.

"Une première étape importante vers ce rêve lointain de créer un ordinateur quantique topologique est de démontrer des preuves expérimentales définitives de l'existence de fermions de Majorana dans la matière condensée, " a déclaré Chang. " Au cours des sept dernières années, plusieurs expériences ont prétendu montrer de telles preuves, mais l'interprétation de ces expériences est encore débattue."

L'équipe a étudié des dispositifs fabriqués à partir d'un matériau quantique connu sous le nom d'"isolant Hall anormal quantique" dans lequel le courant électrique ne circule qu'au bord. Une étude récente a prédit que lorsque le courant de bord est en contact net avec un supraconducteur, des Majorana Fermions chiraux se propageant sont créés et la conductance électrique de l'appareil doit être « demi-quantifiée » (une valeur de e2/2h où « e » est la charge électronique et « h » est la constante de Planck), lorsqu'il est soumis à un champ magnétique précis. L'équipe de Penn State-Wurzburg a étudié plus de trois douzaines de dispositifs avec plusieurs configurations de matériaux différentes et a constaté que les dispositifs avec un contact supraconducteur propre affichent toujours la valeur à moitié quantifiée, quelles que soient les conditions du champ magnétique. Cela se produit parce que le supraconducteur agit comme un court-circuit électrique et n'est donc pas révélateur de la présence du fermion de Majorana.

"Le fait que deux laboratoires - à Penn State et à Wurzburg - aient trouvé des résultats totalement cohérents en utilisant une grande variété de configurations d'appareils jette un sérieux doute sur la validité de la géométrie expérimentale théoriquement proposée et remet en question l'affirmation de 2017 d'observer la particule d'ange, " dit Moïse Chan, Même Pugh, professeur émérite de physique à Penn State.

"Je reste optimiste sur le fait que la combinaison d'isolants Hall anomaux quantiques et de supraconductivité est un schéma attrayant pour réaliser des Majoranas chirales, " dit Morteza Kayyalha, un associé de recherche postdoctoral à Penn State qui a effectué la fabrication et les mesures de l'appareil. "Mais nos collègues théoriciens doivent repenser la géométrie de l'appareil."

"C'est une excellente illustration de la façon dont la science devrait fonctionner, " a déclaré Samarth. " Les allégations de découvertes extraordinaires doivent être soigneusement examinées et reproduites. Tous nos post-doctorants et étudiants ont travaillé très dur pour s'assurer qu'ils effectuent des tests très rigoureux sur les revendications passées. Nous veillons également à ce que toutes nos données et méthodes soient partagées de manière transparente avec la communauté afin que nos résultats puissent être évalués de manière critique par des collègues intéressés. »