Les physiciens décrivent les électrons par leur énergie, élan, et tourner. Un électron peut occuper un niveau d'énergie possible, tandis qu'un niveau inoccupé est appelé un trou. Ici, un état électronique spécial appelé fermion de Majorana est représenté comme la somme d'un électron et d'un trou qui se déplacent librement. Le professeur assistant du MIT, Liang Fu, prédit que cet état spécial devrait se produire près du zéro absolu dans une classe de matériaux supraconducteurs. L'électron et le trou ont le même spin (indiqué par des flèches pointant vers le bas), une caractéristique des fermions de Majorana. Crédit :Massachusetts Institute of Technology
Un matériau à basse température fabriqué à partir des éléments praséodyme, osmium, et l'antimoine devrait pouvoir héberger des particules subatomiques appelées fermions de Majorana, Des chercheurs du MIT l'ont montré dans une analyse théorique.
Fermions de Majorane, prédit pour la première fois par les physiciens en 1937, peut être considéré comme des électrons divisés en deux parties, dont chacune se comporte comme des particules indépendantes. Ces fermions n'existent pas sous forme de particules élémentaires dans la nature mais peuvent émerger dans certains matériaux supraconducteurs proches du zéro absolu. Dans les matériaux supraconducteurs, les électrons circulent sans résistance générant peu ou pas de chaleur.
La nouvelle analyse de l'étudiant diplômé Vladyslav Kozii, post-doctorant Jörn Venderbos, et Lawrence C. (1944) et Sarah W. Biedenharn Le professeur assistant en développement de carrière Liang Fu prédit que cet état spécial devrait se produire dans un praséodyme, composé d'osmium et d'antimoine, Avantages
Les physiciens décrivent les électrons par leur énergie, élan, et tourner. Un électron peut occuper un niveau d'énergie possible, et un niveau inoccupé s'appelle un trou. Dans la nouvelle analyse, Les fermions de Majorana émergent comme une superposition quantique d'un électron et d'un trou qui se déplacent librement, avec chacun la même direction, ou tourner. Ce spin de fermion de Majorana peut interagir avec le spin des noyaux atomiques dans le matériau, il faut donc le voir en utilisant des techniques de résonance magnétique nucléaire, ils prédisent.
"Nous nous adressons à une certaine classe de supraconducteurs, montrent qu'ils ont des fermions de Majorana comme quasiparticules se propageant librement dans la masse, puis regardez comment ils peuvent être détectés et quelles autres propriétés ces matériaux ont que l'on pourrait utiliser à l'avenir pour des fonctionnalités intéressantes, " dit Venderbos. " Je pense qu'il comble très bien le fossé entre l'expérience et la théorie et qu'il peut être utilisé par les expérimentateurs en ce moment. " Leur article a été publié ce mois-ci dans la revue Avancées scientifiques .
Un concept clé de la physique dans ce travail est celui de la symétrie d'inversion du temps. Une telle symétrie signifie que les équations des mouvements régissant un objet ou une particule restent les mêmes si l'on pouvait inverser le sens du temps, le temps s'écoulant vers l'arrière plutôt vers l'avant. Si l'équation du mouvement des électrons dans un matériau est différente lorsque le temps s'écoule à l'envers, comme c'est le cas dans les aimants, par exemple, alors on dit que la symétrie d'inversion du temps est brisée. Cela donne aux physiciens un moyen important de distinguer différents matériaux. Dans le supraconducteur proposé à base de composé d'antimoine, l'analyse montre que les fermions de Majorana ne peuvent exister que lorsque la symétrie d'inversion temporelle est brisée. En inversant le mouvement dans le temps, le spin des fermions de Majorana est inversé - par exemple, du sens des aiguilles d'une montre au sens inverse des aiguilles d'une montre, ce qui implique une équation de mouvement différente pour les fermions de Majorana remontant dans le temps. « Concernant le matériel que nous avons proposé, en fait, il y a une expérience récente qui confirme que la symétrie d'inversion du temps est brisée dans l'état supraconducteur de ce matériau. Cela renforce notre conclusion qu'il s'agit en effet d'un candidat très prometteur pour l'application de notre théorie, " explique Kozii.
Les fermions de Majorana ont été proposés pour la première fois par le physicien italien Ettore Majorana comme solution mathématique spéciale pour le comportement quantique des électrons. Des chercheurs de l'Université de Princeton ont signalé la détection d'une réalisation en dimension zéro de ces particules à la fin d'une chaîne d'atomes en octobre 2014. Les théoriciens du MIT montrent maintenant que les fermions de Majorana à propagation tridimensionnelle qu'ils prédisent sont régis par l'équation originale de Majorana. "L'étude approfondie que nous avons effectuée montre que cette particule particulière peut maintenant trouver sa réalisation en physique de l'état solide dans un matériau réel, " dit Venderbos.
Les électrons dans les matériaux tels que les métaux et les semi-conducteurs ne peuvent remplir que certains niveaux d'énergie, ou des bandes, avec exclus, ou interdit, niveaux d'énergie appelés bande interdite. Dans un supraconducteur, c'est ce qu'on appelle aussi le gap supraconducteur. Ordinairement, il prend de l'énergie extérieure afin d'élever un électron d'énergie inférieure à un niveau d'énergie plus élevé, surtout quand il doit franchir une bande interdite. L'analyse du praséodyme par les groupes Fu, osmium, et l'antimoine révèle qu'il y a des points spéciaux dans son spectre d'excitation électronique où la bande interdite disparaît dans son état supraconducteur, ce qui signifie que des excitations de faible énergie sont possibles. "Quelle que soit la faible consommation d'énergie, il y aura toujours de l'excitation à cette énergie. Ces excitations sont exactement ces fermions de Majorana dont nous parlions, " explique Kozii. Venderbos ajoute, "Il y a certaines excitations pour lesquelles vous n'avez pas besoin de mettre d'énergie ou juste une quantité infinitésimale et vous pouvez toujours créer l'excitation."
Notant que Fu a fait « des prédictions fantastiques dans le passé, " Robert J. Cava, professeur de chimie à l'Université de Princeton, qui n'a pas participé à cette recherche, suggère :« Les expérimentateurs devraient écouter ce qu'il a à dire... Je suis très heureux de voir que lui et ses collègues ont présenté une analyse de matériaux réels dans lesquels leurs idées pourraient être incarnées.
Kozi, Venderbos, et Fu a analysé ces supraconducteurs non conventionnels pendant un an. Pour Kozii, le travail fera partie de sa thèse de doctorat.
Les chercheurs espèrent que leurs travaux inspireront les expérimentateurs à réexaminer certains matériaux précédemment étudiés pour identifier ceux qui hébergent des états supraconducteurs avec des fermions de Majorana. "Je pense que la première étape serait juste de trouver un matériau dans lequel tout le monde peut convenir qu'il contient ces fermions de Majorana. Ce serait vraiment excitant et constituerait la découverte d'un nouveau type de supraconducteur en expérimentation, " dit Venderbos. " La prochaine étape serait de réfléchir à la fonctionnalisation de ces matériaux, quelles pourraient être les applications spécifiques." Essayer de fabriquer des dispositifs quantiques à partir de ces matériaux est une direction possible. "Nous espérons que cette recherche rapprochera finalement les efforts de la communauté des matériaux quantiques et des dispositifs quantiques pour découvrir les nombreuses facettes des fermions de Majorana, " ajoute Fu.
Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.
