En 1928, Le physicien Paul Dirac a fait la prédiction étonnante que chaque particule fondamentale de l'univers a une antiparticule - sa jumelle identique mais avec une charge opposée. Lorsque particule et antiparticule se rencontraient, elles étaient annihilées, libérant une bouffée d'énergie. Assez sur, quelques années plus tard, la première particule d'antimatière - l'opposé de l'électron, le positron - a été découvert, et l'antimatière est rapidement devenue une partie de la culture populaire.

Mais en 1937, un autre brillant physicien, Ettore Majorana, introduit une nouvelle tournure :il a prédit que dans la classe de particules connues sous le nom de fermions, qui comprend le proton, neutron, électron, neutrino et quark, il devrait y avoir des particules qui sont leurs propres antiparticules.

Maintenant, une équipe comprenant des scientifiques de Stanford dit avoir trouvé la première preuve solide d'un tel fermion de Majorana. Il a été découvert lors d'une série d'expériences en laboratoire sur des matériaux exotiques à l'Université de Californie en collaboration avec l'Université de Stanford. L'équipe expérimentale était dirigée par le professeur Kang Wang de l'UCLA, et des prédictions théoriques précises ont été faites par le groupe du professeur de Stanford Shoucheng Zhang, en collaboration avec des groupes expérimentaux dirigés par le professeur agrégé Jing Xia à UC-Irvine et le professeur Kai Liu à UC-Davis. L'équipe a communiqué les résultats le 20 juillet dans Science .

"Notre équipe a prédit exactement où trouver le fermion de Majorana et ce qu'il faut rechercher comme signature expérimentale" smoking ", " dit Zhang, un physicien théoricien et l'un des auteurs principaux du document de recherche. "Cette découverte conclut l'une des recherches les plus intensives en physique fondamentale, qui a duré exactement 80 ans."

Bien que la recherche du fameux fermion semble plus intellectuelle que pratique, il ajouta, cela pourrait avoir des implications réelles pour la construction d'ordinateurs quantiques robustes, bien que ce soit certes loin dans le futur.

Le type particulier de fermion de Majorana observé par l'équipe de recherche est connu sous le nom de fermion "chiral" car il se déplace le long d'un chemin unidimensionnel dans une seule direction. Alors que les expériences qui l'ont produit étaient extrêmement difficiles à concevoir, mettre en place et réaliser, le signal qu'ils ont produit était clair et sans ambiguïté, les chercheurs ont dit.

"Cette recherche aboutit à une chasse pendant de nombreuses années pour trouver des fermions chiraux de Majorana. Ce sera un point de repère dans le domaine, " a déclaré Tom Devereaux, directeur du Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES) au SLAC National Accelerator Laboratory, où Zhang est chercheur principal.

"Cela semble être une observation vraiment claire de quelque chose de nouveau, " a déclaré Frank Wilczek, un physicien théoricien et lauréat du prix Nobel au Massachusetts Institute of Technology qui n'a pas participé à l'étude. "Ce n'est pas fondamentalement surprenant, car les physiciens ont longtemps pensé que les fermions de Majorana pourraient provenir des types de matériaux utilisés dans cette expérience. Mais ils ont réuni plusieurs éléments qui n'avaient jamais été réunis auparavant, et d'ingénierie pour que ce nouveau type de particule quantique puisse être observé dans un environnement propre, manière robuste est un véritable jalon."

Recherche de 'quasiparticles'

La prédiction de Majorana s'appliquait uniquement aux fermions qui n'ont pas de charge, comme le neutron et le neutrino. Les scientifiques ont depuis trouvé une antiparticule pour le neutron, mais ils ont de bonnes raisons de croire que le neutrino pourrait être sa propre antiparticule, et il y a quatre expériences en cours pour le découvrir - y compris EXO-200, la dernière incarnation de l'Observatoire Enrichi du Xénon, au Nouveau-Mexique. Mais ces expériences sont extraordinairement difficiles et ne devraient pas produire de réponse avant une décennie environ.

Il y a environ 10 ans, les scientifiques ont réalisé que les fermions de Majorana pourraient également être créés dans des expériences qui explorent la physique des matériaux - et la course était lancée pour que cela se produise.

Ce qu'ils recherchaient, ce sont des "quasipparticules" - des excitations semblables à des particules qui résultent du comportement collectif des électrons dans les matériaux supraconducteurs, qui conduisent l'électricité avec une efficacité de 100 pour cent. Le processus qui donne naissance à ces quasiparticules s'apparente à la façon dont l'énergie se transforme en particules « virtuelles » de courte durée et redevient énergétique dans le vide de l'espace, selon la célèbre équation d'Einstein E =mc2. Bien que les quasiparticules ne soient pas comme les particules trouvées dans la nature, ils seraient néanmoins considérés comme de véritables fermions de Majorana.

Au cours des cinq dernières années, les scientifiques ont eu un certain succès avec cette approche, rapportant qu'ils avaient vu des signatures prometteuses de fermions de Majorana dans des expériences impliquant des nanofils supraconducteurs.

Mais dans ces cas, les quasiparticules étaient "liées" - épinglées à un endroit particulier, plutôt que de se propager dans l'espace et le temps - et il était difficile de dire si d'autres effets contribuaient aux signaux observés par les chercheurs, dit Zhang.

Une « arme fumante »

Dans les dernières expériences à l'UCLA, UC-Davis et UC-Irvine, l'équipe a empilé des couches minces de deux matériaux quantiques - un supraconducteur et un isolant topologique magnétique - et a envoyé un courant électrique à travers eux, le tout à l'intérieur d'une chambre à vide réfrigérée.

Le film supérieur était un supraconducteur. Celui du bas était un isolant topologique, qui ne conduit le courant que le long de sa surface ou de ses bords, mais pas par son milieu. Leur assemblage a créé un isolant topologique supraconducteur, où les électrons filent le long de deux bords de la surface du matériau sans résistance, comme des voitures sur une autoroute.

C'était l'idée de Zhang de peaufiner l'isolant topologique en y ajoutant une petite quantité de matériau magnétique. Cela a fait circuler les électrons dans un sens le long d'un bord de la surface et dans le sens opposé le long du bord opposé.

Ensuite, les chercheurs ont balayé un aimant sur la pile. Cela ralentissait le flux d'électrons, arrêter et changer de direction. Ces changements n'ont pas été fluides, mais s'est déroulé par étapes abruptes, comme des escaliers identiques dans un escalier.

À certains moments de ce cycle, Des quasiparticules de Majorana ont émergé, naissant par paires de la couche supraconductrice et se déplaçant le long des bords de l'isolant topologique tout comme les électrons. Un membre de chaque paire a été dévié du chemin, permettant aux chercheurs de mesurer facilement le flux des quasi-particules individuelles qui ont continué à aller de l'avant. Comme les électrons, ils ont ralenti, s'est arrêté et a changé de direction - mais par pas exactement la moitié de ceux que les électrons ont pris.

Ces demi-étapes étaient la preuve fumante que les chercheurs recherchaient.

Les résultats de ces expériences ne sont pas susceptibles d'avoir un effet sur les efforts visant à déterminer si le neutrino est sa propre antiparticule, a déclaré le professeur de physique de Stanford Giorgio Gratta, qui a joué un rôle majeur dans la conception et la planification de l'EXO-200.

"Les quasiparticules qu'ils ont observées sont essentiellement des excitations dans un matériau qui se comportent comme des particules de Majorana, " dit Gratta. " Mais ce ne sont pas des particules élémentaires et elles sont fabriquées de manière très artificielle dans un matériau très spécialement préparé. Il est très peu probable qu'ils se produisent dans l'univers, mais qui sommes-nous pour dire? D'autre part, les neutrinos sont partout, et s'il s'avère qu'il s'agit de particules de Majorana, nous montrerons que la nature a non seulement rendu ce type de particules possible, mais, En réalité, en a littéralement rempli l'univers."

Il ajouta, "Là où cela devient plus intéressant, c'est que les analogies en physique se sont avérées très puissantes. Et même si ce sont des bêtes très différentes, différents processus, peut-être pouvons-nous utiliser l'un pour comprendre l'autre. Peut-être découvrirons-nous quelque chose d'intéressant pour nous, trop."

Particule d'ange

Loin dans le futur, Zhang a dit, Les fermions de Majorana pourraient être utilisés pour construire des ordinateurs quantiques robustes qui ne sont pas ébranlés par le bruit environnemental, ce qui a été un obstacle majeur à leur développement. Puisque chaque Majorana est essentiellement la moitié d'une particule subatomique, un seul qubit d'information pourrait être stocké dans deux fermions de Majorana largement séparés, diminuant le risque que quelque chose puisse les perturber tous les deux à la fois et leur faire perdre les informations qu'ils transportent.

Pour l'instant, il suggère un nom pour le fermion chiral de Majorana que son équipe a découvert :la « particule d'ange, " en référence au thriller best-seller de 2000 Anges et Démons, dans lequel une confrérie secrète complote pour faire sauter le Vatican avec une bombe à retardement dont le pouvoir explosif provient de l'annihilation matière-antimatière. Contrairement au livre, il a noté, dans le monde quantique du fermion de Majorana, il n'y a que des anges – pas de démons.