La diffusion des neutrons a révélé avec des détails sans précédent de nouvelles informations sur le comportement magnétique exotique d'un matériau qui, avec une meilleure compréhension, pourrait ouvrir la voie à des calculs quantiques bien au-delà des limites des uns et des zéros du code binaire d'un ordinateur.

Une équipe de recherche dirigée par le laboratoire national d'Oak Ridge du ministère de l'Énergie a confirmé des signatures magnétiques probablement liées aux fermions de Majorana, des particules insaisissables qui pourraient être à la base d'un bit quantique, ou qubit, dans un matériau bidimensionnel de type graphène, trichlorure d'alpha-ruthénium. Les résultats, publié dans la revue Science , vérifier et prolonger un 2016 Matériaux naturels étude dans laquelle l'équipe de chercheurs de l'ORNL, Université du Tennessee, L'Institut Max Planck et l'Université de Cambridge ont d'abord proposé ce comportement inhabituel dans le matériau.

"Cette recherche est une promesse tenue, " a déclaré l'auteur principal Arnab Banerjee, chercheur postdoctoral à l'ORNL. "Avant, nous avons suggéré que ce composé, trichlorure d'alpha-ruthénium, a montré la physique des fermions de Majorana, mais le matériau que nous avons utilisé était une poudre et masquait de nombreux détails importants. Maintenant, nous examinons un grand monocristal qui confirme que le spectre magnétique inhabituel est cohérent avec l'idée des fermions magnétiques de Majorana."

Les fermions de Majorana ont été théorisés en 1937 par le physicien Ettore Majorana. Ils sont uniques en cela, contrairement aux électrons et aux protons dont les contreparties antiparticulaires sont le positon et l'antiproton, particules de charges égales mais opposées, Les fermions de Majorana sont leur propre antiparticule et n'ont aucune charge.

En 2006, le physicien Alexei Kitaev a développé un modèle théorique résoluble décrivant comment des calculs quantiques protégés topologiquement pourraient être réalisés dans un matériau en utilisant des liquides de spin quantique, ou QSL. Les QSL sont des états étranges obtenus dans des matériaux solides où les moments magnétiques, ou "tourne, " associés aux électrons présentent un comportement fluide.

"Nos mesures de diffusion des neutrons nous montrent des signatures claires d'excitations magnétiques qui ressemblent étroitement au modèle du Kitaev QSL, " a déclaré l'auteur correspondant Steve Nagler, directeur de la division Quantum Condensed Matter à l'ORNL. "Les améliorations des nouvelles mesures sont comme regarder Saturne à travers un télescope et découvrir les anneaux pour la première fois."

Parce que les neutrons sont des aimants microscopiques qui ne portent aucune charge, ils peuvent être utilisés pour interagir avec et exciter d'autres particules magnétiques dans le système sans compromettre l'intégrité de la structure atomique du matériau. Les neutrons peuvent mesurer le spectre magnétique des excitations, révélant le comportement des particules. L'équipe a refroidi le matériau à des températures proches du zéro absolu (environ moins 450 degrés Fahrenheit) pour permettre une observation directe des mouvements purement quantiques.

L'utilisation de l'instrument SEQUOIA à la source de neutrons de spallation de l'ORNL a permis aux chercheurs de cartographier une image des mouvements magnétiques du cristal dans l'espace et dans le temps.

"Nous pouvons voir le spectre magnétique se manifester sous la forme d'une étoile à six branches et comment il reflète le réseau en nid d'abeille sous-jacent du matériau, " a déclaré Banerjee. " Si nous pouvons comprendre ces excitations magnétiques en détail, nous ferons un pas de plus vers la découverte d'un matériau qui nous permettrait de poursuivre le rêve ultime des calculs quantiques. "

Banerjee et ses collègues poursuivent des expériences supplémentaires avec des champs magnétiques appliqués et des pressions variables.

"Nous avons appliqué une technique de mesure très puissante pour obtenir ces visualisations exquises qui nous permettent de voir directement la nature quantique du matériau, " a déclaré le coauteur Alan Tennant, scientifique en chef de la Direction des sciences neutroniques de l'ORNL. "Une partie de l'excitation des expériences est qu'ils dirigent la théorie. Nous voyons ces choses, et nous savons qu'ils sont réels."