Quels types de « particules » sont autorisés par la nature ? La réponse réside dans la théorie de la mécanique quantique, qui décrit le monde microscopique.

Dans le but de repousser les limites de notre compréhension du monde quantique, Des chercheurs de l'UC Santa Barbara ont mis au point un appareil qui pourrait prouver l'existence d'anyons non abéliens, une particule quantique qui a été mathématiquement prédite pour exister dans un espace à deux dimensions, mais jusqu'à présent pas démontré de manière concluante. L'existence de ces particules ouvrirait la voie à des avancées majeures en informatique quantique topologique.

Dans une étude publiée dans la revue La nature , la physicienne Andrea Young, son étudiant diplômé Sasha Zibrov et leurs collègues ont fait un pas vers la recherche de preuves concluantes pour les anyons non abéliens. En utilisant du graphène, un matériau atomiquement mince dérivé du graphite (une forme de carbone), ils ont développé un défaut extrêmement faible, dispositif hautement paramétrable dans lequel les utilisateurs non abéliens devraient être beaucoup plus accessibles. D'abord, un peu de contexte :Dans notre univers tridimensionnel, les particules élémentaires peuvent être soit des fermions, soit des bosons :pensez aux électrons (fermions) ou au Higgs (un boson).

"La différence entre ces deux types de 'statistiques quantiques' est fondamentale pour le comportement de la matière, " a dit Young. Par exemple, les fermions ne peuvent pas occuper le même état quantique, nous permettant de pousser les électrons dans les semi-conducteurs et d'empêcher les étoiles à neutrons de s'effondrer. Les bosons peuvent occuper le même état, conduisant à des phénomènes spectaculaires tels que la condensation de Bose-Einstein et la supraconductivité, il expliqua. Mélanger quelques fermions, comme les protons, neutrons, et les électrons qui composent les atomes et vous pouvez obtenir l'un ou l'autre type, mais n'échappe jamais à la dichotomie.

Dans un univers à deux dimensions, cependant, les lois de la physique permettent une troisième possibilité. Connu sous le nom de « anyons, " ce type de particule quantique n'est ni un boson ni un fermion, mais plutôt quelque chose de complètement différent - et certains types d'anyons, connus sous le nom d'anyons non abéliens, garder un souvenir de leurs états passés, encoder des informations quantiques sur de longues distances et former les blocs de construction théoriques pour les ordinateurs quantiques topologiques.

Bien que nous ne vivions pas dans un univers à deux dimensions, lorsqu'il est confiné à une feuille ou une plaque de matériau très mince, les électrons le font. Dans ce cas, anyons peuvent émerger comme des « quasi-particules » à partir d'états corrélés de nombreux électrons. Perturber un tel système, disons avec un potentiel électrique, conduit à la réorganisation de l'ensemble du système comme si quelqu'un avait déménagé.

La chasse aux anyons non abéliens commence par l'identification des états collectifs qui les hébergent. "Dans les états Hall quantiques fractionnaires - un type d'état électronique collectif observé uniquement dans des échantillons bidimensionnels à des champs magnétiques très élevés - les quasiparticules sont connues pour avoir précisément une fraction rationnelle de la charge électronique, ce qui implique qu'ils sont anyons, " a dit le jeune.

"Mathématiquement, Bien sur, les statistiques non abéliennes sont autorisées et même prédites pour certains états fractionnaires de Hall quantique. les scientifiques dans ce domaine ont été limités par la fragilité des états hôtes dans le matériau semi-conducteur où ils sont généralement étudiés. Dans ces structures, les états collectifs eux-mêmes n'apparaissent qu'à des températures exceptionnellement basses, rendant doublement difficile l'exploration des propriétés quantiques uniques des anyons individuels.

Le graphène s'avère être un matériau idéal pour construire des appareils permettant de rechercher les personnes insaisissables. Mais, alors que les scientifiques construisaient des appareils à base de graphène, d'autres matériaux entourant la feuille de graphène, tels que des substrats de verre et des grilles métalliques, ont introduit suffisamment de désordre pour détruire toute signature d'états non abéliens, expliqua Zibrov. Le graphène est bien, c'est l'environnement qui pose problème, il a dit.

La solution? Matériau plus atomiquement mince.

"Nous avons finalement atteint un point où tout dans l'appareil est fait de monocristaux bidimensionnels, " a déclaré Young. " Donc, non seulement le graphène lui-même, mais les diélectriques sont des monocristaux de nitrure de bore hexagonal qui sont plats et parfaits et les grilles sont des monocristaux de graphite qui sont plats et parfaits." En alignant et empilant ces cristaux de matière plats et parfaits les uns sur les autres, l'équipe a obtenu non seulement un système à très faible désordre, mais un qui est aussi extrêmement accordable.

"En plus de réaliser ces états, on peut régler des paramètres microscopiques de manière très bien maîtrisée et comprendre ce qui rend ces états stables et ce qui les déstabilise, " a déclaré Young. Le degré élevé de contrôle expérimental - et l'élimination de nombreuses inconnues - a permis à l'équipe de modéliser théoriquement le système avec une grande précision, renforcer la confiance dans leurs conclusions.

L'avancée des matériaux confère à ces excitations fragiles une certaine robustesse, avec les températures requises près de dix fois plus élevées que celles requises dans d'autres systèmes de matériaux. Amener les statistiques non abéliennes dans une plage de températures plus pratique s'avère une opportunité non seulement pour les recherches de physique fondamentale, mais ravive l'espoir de développer un bit quantique topologique, qui pourrait constituer la base d'un nouveau type d'ordinateur quantique. Les anyons non abéliens ont la particularité de pouvoir traiter et stocker des informations quantiques indépendamment de nombreux effets environnementaux, un défi majeur dans la réalisation d'ordinateurs quantiques avec des moyens traditionnels.

Mais, disent les physiciens, Tout d'abord. Mesurer directement les propriétés quantiques des quasiparticules émergentes est très difficile, expliqua Zibrov. Alors que certaines propriétés, telles que la charge fractionnaire, ont été définitivement démontrées, la preuve définitive de statistiques non-abéliennes – et encore moins d'exploiter des anyons non-abéliens pour le calcul quantique – est restée loin de la portée des expériences. "Nous ne savons pas encore vraiment expérimentalement s'il existe des anyons non abéliens, " a déclaré Zibrov.

"Nos expériences jusqu'à présent sont cohérentes avec la théorie, ce qui nous dit que certains des états que nous avons observés devraient être non abéliens, mais nous n'avons toujours pas de pistolet fumant expérimental."

"Nous aimerions une expérience qui démontre réellement un phénomène unique aux statistiques non-abéliennes, " dit Jeune, qui a remporté de nombreux prix pour son travail, y compris le prix CAREER de la National Science Foundation. "Maintenant que nous avons un matériau que nous comprenons très bien, il y a plusieurs façons de le faire, nous verrons si la nature coopère !"