Des chercheurs de l'Université de Princeton ont détecté une propriété quantique unique d'une particule insaisissable remarquable pour se comporter simultanément comme la matière et l'antimatière. La particule, connu sous le nom de fermion de Majorana, est prisé par les chercheurs pour son potentiel à ouvrir les portes de nouvelles possibilités en informatique quantique.

Dans l'étude publiée cette semaine dans la revue Science , l'équipe de recherche a décrit comment ils ont amélioré une technique d'imagerie existante, appelée microscopie à effet tunnel, pour capturer les signaux de la particule Majorana aux deux extrémités d'un fil de fer atomiquement mince tendu à la surface d'un cristal de plomb. Leur méthode impliquait de détecter une propriété quantique distinctive connue sous le nom de spin, qui a été proposé pour transmettre des informations quantiques dans des circuits contenant la particule de Majorana.

"La propriété de spin des Majoranas les distingue des autres types de quasi-particules qui émergent dans les matériaux, " a déclaré Ali Yazdani, Classe de Princeton de 1909 professeur de physique. "La détection expérimentale de cette propriété fournit une signature unique de cette particule exotique."

La découverte s'appuie sur la découverte de l'équipe en 2014, également publié dans Science , du fermion de Majorana dans une seule chaîne d'atomes de fer d'une largeur d'un atome au sommet d'un substrat de plomb. Dans cette étude, le microscope à effet tunnel a été utilisé pour visualiser Majoranas pour la première fois, mais n'a fourni aucune autre mesure de leurs propriétés.

"Notre objectif a été de sonder certaines des propriétés quantiques spécifiques de Majoranas. De telles expériences fournissent non seulement une confirmation supplémentaire de leur existence dans nos chaînes, mais ouvrez des voies possibles pour les utiliser", a déclaré Yazdani.

Théorisé pour la première fois à la fin des années 1930 par le physicien italien Ettore Majorana, la particule est fascinante car elle agit comme sa propre antiparticule. Dans les dernières années, les scientifiques ont réalisé qu'ils pouvaient concevoir des fils unidimensionnels, comme les chaînes d'atomes sur la surface supraconductrice dans l'étude actuelle, pour faire émerger les fermions de Majorana dans les solides. Dans ces fils, Les majoranas se présentent par paires à chaque extrémité des chaînes, à condition que les chaînes soient suffisamment longues pour que les Majoranas restent suffisamment éloignées l'une de l'autre pour ne pas s'annihiler. Dans un système informatique quantique, les informations pourraient être stockées simultanément aux deux extrémités du fil, fournissant une robustesse contre les perturbations extérieures aux états quantiques intrinsèquement fragiles.

Des efforts expérimentaux antérieurs pour détecter Majoranas ont utilisé le fait qu'il s'agit à la fois d'une particule et d'une antiparticule. La signature révélatrice est appelée pic de polarisation nulle dans une mesure d'effet tunnel quantique. Mais des études ont montré que de tels signaux pourraient également se produire en raison d'une paire de quasiparticules ordinaires qui peuvent émerger dans les supraconducteurs. Professeur de physique Andrei Bernevig et son équipe, qui avec le groupe de Yazdani a proposé la plate-forme de la chaîne atomique, a développé la théorie qui a montré que les mesures polarisées en spin effectuées à l'aide d'un microscope à effet tunnel peuvent faire la distinction entre la présence d'une paire de quasi-particules ordinaires et un Majorana.

Typiquement, la microscopie à effet tunnel (STM) consiste à faire glisser une électrode à pointe fine sur une structure, dans ce cas la chaîne d'atomes de fer, et détecter ses propriétés électroniques, à partir duquel une image peut être construite. Pour effectuer des mesures sensibles au spin, les chercheurs créent des électrodes magnétisées dans différentes orientations. Ces mesures STM « polarisées en spin » ont révélé des signatures en accord avec les calculs théoriques de Bernevig et de son équipe.

"Il se trouve que, contrairement au cas d'une quasi-particule classique, la vrille de la Majorana ne peut pas être masquée par l'arrière-plan. En ce sens, c'est un test décisif pour la présence de l'État de Majorana, " a déclaré Bernevig.

La propriété de spin quantique de Majorana peut également les rendre plus utiles pour des applications en information quantique. Par exemple, des fils avec Majoranas à chaque extrémité peuvent être utilisés pour transférer des informations entre des bits quantiques éloignés qui reposent sur le spin des électrons. L'intrication des spins des électrons et des Majoranas pourrait être la prochaine étape dans l'exploitation de leurs propriétés pour le transfert d'informations quantiques.