Appareil utilisé par les physiciens pour repérer le signal le plus clair à ce jour des particules de Majorana. Le fil gris au milieu est le nanofil, et la zone verte est une bande d'aluminium supraconducteur. Crédit :Hao Zhang/QuTech
Dans la dernière expérience du genre, les chercheurs ont capturé les preuves les plus convaincantes à ce jour que des particules inhabituelles se cachent à l'intérieur d'un type spécial de supraconducteur. Le résultat, qui confirme les prédictions théoriques faites pour la première fois il y a près d'une décennie au Joint Quantum Institute (JQI) et à l'Université du Maryland (UMD), sera publié dans le numéro du 5 avril de La nature .
Les passagers clandestins, appelées quasiparticules de Majorana, sont différents de la matière ordinaire comme les électrons ou les quarks, la substance qui constitue les éléments du tableau périodique. Contrairement à ces particules, qui, pour autant que les physiciens le sachent, ne peut pas être décomposé en morceaux plus basiques, Les quasiparticules de Majorana proviennent de motifs coordonnés de nombreux atomes et électrons et n'apparaissent que dans des conditions particulières. Ils sont dotés de caractéristiques uniques qui peuvent leur permettre de former l'épine dorsale d'un type d'ordinateur quantique, et les chercheurs les poursuivent depuis des années.
Le dernier résultat est le plus alléchant à ce jour pour les chasseurs de Majorana, confirmant de nombreuses prédictions théoriques et jetant les bases d'expériences plus raffinées à l'avenir. Dans le nouveau travail, les chercheurs ont mesuré le courant électrique traversant un semi-conducteur ultra-mince connecté à une bande d'aluminium supraconducteur, une recette qui transforme l'ensemble de la combinaison en un type spécial de supraconducteur.
Des expériences de ce type exposent le nanofil à un aimant puissant, ce qui ouvre un moyen supplémentaire aux électrons du fil de s'organiser à basse température. Avec cet arrangement supplémentaire, le fil devrait héberger une quasiparticule de Majorana, et les expérimentateurs peuvent rechercher sa présence en mesurant soigneusement la réponse électrique du fil.
La nouvelle expérience a été menée par des chercheurs de QuTech à l'Université technique de Delft aux Pays-Bas et de Microsoft Research, avec des échantillons du matériel hybride préparés à l'Université de Californie, Santa Barbara et Eindhoven University of Technology aux Pays-Bas. Les expérimentateurs ont comparé leurs résultats aux calculs théoriques du boursier JQI Sankar Das Sarma et de l'étudiant diplômé JQI Chun-Xiao Liu.
Le même groupe à Delft a vu des allusions à une Majorana en 2012, mais l'effet électrique mesuré n'était pas aussi important que la théorie l'avait prédit. Maintenant, le plein effet a été observé, et il persiste même lorsque les expérimentateurs secouent la force des champs magnétiques ou électriques - une robustesse qui fournit une preuve encore plus forte que l'expérience a capturé un Majorana, comme prédit dans les simulations théoriques minutieuses de Liu.
La quantification parfaite de la conductance de Majorana est la preuve finale de l'existence de celle de Majorana. Crédit :TU Delft
« Nous avons parcouru un long chemin depuis la recette théorique de 2010 sur la façon de créer des particules de Majorana dans des systèmes hybrides semi-conducteurs-supraconducteurs, " dit Das Sarma, un co-auteur de l'article qui est également le directeur du Centre de théorie de la matière condensée à l'UMD. "Mais il reste encore du chemin à parcourir avant de pouvoir déclarer une victoire totale dans notre recherche de ces particules étranges."
Le succès vient après des années d'améliorations dans la façon dont les chercheurs assemblent les nanofils, conduisant à un contact plus propre entre le fil semi-conducteur et la bande d'aluminium. Pendant le même temps, les théoriciens ont mieux compris les signatures expérimentales possibles de Majoranas, un travail lancé par Das Sarma et plusieurs collaborateurs de l'UMD.
La théorie rencontre l'expérience
La quête pour trouver des quasiparticules de Majorana dans des fils quantiques minces a commencé en 2001, sous l'impulsion d'Alexei Kitaev, puis physicien puis chez Microsoft Research. Kitaïev, qui est maintenant au California Institute of Technology à Pasadena, concocté un système relativement simple mais irréaliste qui pourrait théoriquement abriter un Majorana. Mais ce fil imaginaire nécessitait un type spécifique de supraconductivité non disponible dans le commerce de la nature, et d'autres ont rapidement commencé à chercher des moyens d'imiter l'engin de Kitaev en mélangeant et en faisant correspondre les matériaux disponibles.
Un défi consistait à trouver comment obtenir des supraconducteurs, qui vaquent généralement à leurs occupations avec un nombre pair d'électrons - deux, quatre, six, etc. - pour permettre également un nombre impair d'électrons, une situation qui est normalement instable et nécessite une énergie supplémentaire pour maintenir. Le nombre impair est nécessaire car les quasiparticules de Majorana sont des excentriques sans vergogne :elles n'apparaissent que dans le comportement coordonné d'un nombre impair d'électrons.
En 2010, près d'une décennie après l'article original de Kitaev, Das Sarma, Le boursier JQI Jay Deep Sau et le chercheur postdoctoral JQI Roman Lutchyn , avec un deuxième groupe de chercheurs, trouvé une méthode pour créer ces supraconducteurs spéciaux, et il a conduit la recherche expérimentale depuis. Ils ont suggéré de combiner un certain type de semi-conducteur avec un supraconducteur ordinaire et de mesurer le courant à travers le tout. Ils ont prédit que la combinaison des deux matériaux, avec un champ magnétique puissant, déverrouillerait l'arrangement Majorana et donnerait le matériel spécial de Kitaev.
Ils ont également prédit qu'un Majorana pourrait se révéler dans la façon dont le courant circule à travers un tel nanofil. Si vous connectez un semi-conducteur ordinaire à un fil métallique et à une batterie, les électrons ont généralement une chance de sauter du fil sur le semi-conducteur et une chance d'être repoussés - les détails dépendent des électrons et de la composition du matériau. Mais si vous utilisez plutôt l'un des nanofils de Kitaev, quelque chose de complètement différent se produit. L'électron est toujours parfaitement réfléchi dans le fil, mais ce n'est plus un électron. Cela devient ce que les scientifiques appellent un trou – essentiellement une tache dans le métal à laquelle il manque un électron – et il transporte une charge positive dans la direction opposée.
La physique exige que le courant à travers l'interface soit conservé, ce qui signifie que deux électrons doivent se retrouver dans le supraconducteur pour équilibrer la charge positive se dirigeant dans l'autre sens. Ce qui est étrange, c'est que ce processus, que les physiciens appellent la réflexion parfaite d'Andreev , se produit même lorsque les électrons dans le métal ne reçoivent aucune poussée vers la frontière, c'est-à-dire même lorsqu'ils ne sont pas connectés à une sorte de batterie. Ceci est lié au fait qu'un Majorana est sa propre antiparticule, ce qui signifie qu'il ne coûte aucune énergie pour créer une paire de Majoranas dans le nanofil. L'arrangement de Majorana donne aux deux électrons une marge de manœuvre supplémentaire et leur permet de traverser le nanofil comme une paire quantifiée, c'est-à-dire exactement deux à la fois.
"C'est l'existence de Majoranas qui donne lieu à cette conductance différentielle quantifiée, " dit Liu, qui a effectué des simulations numériques pour prédire les résultats des expériences sur le cluster de supercalculateurs Deepthought2 de l'UMD. "Et une telle quantification devrait même être robuste à de petits changements dans les paramètres expérimentaux, comme le montre la vraie expérience."
Les scientifiques appellent ce style d'expérience la spectroscopie à effet tunnel, car les électrons empruntent une route quantique à travers le nanofil jusqu'à l'autre côté. Il a fait l'objet d'efforts récents pour capturer Majoranas, mais il existe d'autres tests qui pourraient révéler plus directement les propriétés exotiques des particules, des tests qui confirmeraient pleinement que les Majoranas sont vraiment là.
"Cette expérience est un grand pas en avant dans notre recherche de ces particules de Majorana exotiques et insaisissables, montrant la grande avancée dans l'amélioration des matériaux au cours des cinq dernières années, " dit Das Sarma. " Je suis convaincu que ces particules étranges existent dans ces nanofils, mais seule une mesure non locale établissant la physique sous-jacente peut rendre la preuve définitive."
