Les fermions de Majorana sont des particules qui pourraient potentiellement être utilisées comme unités d'information pour un ordinateur quantique. Une expérience menée par des physiciens de l'Institut suisse des nanosciences et du Département de physique de l'Université de Bâle a confirmé leur théorie selon laquelle les fermions de Majorana peuvent être générés et mesurés sur un supraconducteur à l'extrémité de fils constitués d'atomes de fer uniques. Les chercheurs ont également réussi à observer les propriétés ondulatoires de Majoranas et, donc, en rendant l'intérieur d'une Majorana visible pour la première fois. Les résultats ont été publiés dans la revue Informations quantiques npj .

Il y a environ 75 ans, Le physicien italien Ettore Majorana a émis l'hypothèse de l'existence de particules exotiques qui sont leurs propres antiparticules. Depuis, intérêt pour ces particules, connu sous le nom de fermions de Majorana, a énormément augmenté étant donné qu'ils pourraient jouer un rôle dans la création d'un ordinateur quantique. Les majoranas ont déjà été très bien décrites en théorie. Cependant, les examiner et obtenir des preuves expérimentales est difficile car ils doivent se produire par paires mais sont alors généralement liés pour former un électron normal. Des combinaisons ingénieuses et des arrangements de divers matériaux sont donc nécessaires pour générer deux Majoranas et les maintenir séparés.

Collaboration entre théorie et pratique

Le groupe dirigé par le professeur Ernst Meyer a maintenant utilisé les prédictions et les calculs des physiciens théoriciens professeur Jelena Klinovaja et professeur Daniel Loss (de l'Institut suisse des nanosciences et du département de physique de l'Université de Bâle) pour mesurer expérimentalement les états qui correspondent à Majoranas. Sur un supraconducteur, les chercheurs ont évaporé des atomes de fer simples avec un spin qui, en raison de la structure en rangées des atomes de plomb, s'organisent en un fil minuscule comprenant une rangée d'atomes simples. Les fils ont atteint une longueur étonnante allant jusqu'à 70 nanomètres.

Majoranas simples aux extrémités

Les chercheurs ont examiné ces chaînes mono-atomiques à l'aide de la microscopie à effet tunnel et, pour la première fois, aussi avec un microscope à force atomique. En utilisant les images et les mesures, ils ont trouvé des indications claires de l'existence de fermions de Majorana uniques aux extrémités des fils dans certaines conditions et à partir d'une longueur de fil spécifique.

Malgré la distance qui les sépare, les deux Majoranas aux extrémités des fils sont toujours connectés. Ensemble, ils forment un nouvel état étendu sur tout le fil qui peut être occupé ("1") ou non occupé ("0") par un électron. Cette propriété binaire peut alors servir de base à un bit quantique (Qubit) et signifie que Majoranas, qui sont également très robustes contre un certain nombre d'influences environnementales, sont des candidats prometteurs pour créer un futur ordinateur quantique.

Fonction d'onde prévue mesurée

Les chercheurs de Bâle ont non seulement montré que des Majoranas simples peuvent être générées et mesurées aux extrémités d'un fil de fer, ils ont également réalisé la première expérience pour montrer que les Majoranas sont des objets quantiques étendus avec une structure interne, comme prédit par leurs collègues théoriciens. Sur une surface de plusieurs nanomètres, les mesures ont montré la fonction d'onde attendue avec des oscillations caractéristiques et des longueurs de décroissance doubles, qui sont maintenant rendus visibles pour la première fois.