La combinaison de différentes phases de l'eau - glace solide, eau liquide, et la vapeur d'eau - nécessiterait un certain effort pour être réalisé expérimentalement. Par exemple, si vous vouliez placer de la glace à côté de la vapeur, vous auriez à refroidir l'eau en continu pour maintenir la phase solide tout en la chauffant pour maintenir la phase gazeuse.

Pour les physiciens de la matière condensée, cette capacité à créer des conditions différentes dans un même système est souhaitable car des phénomènes et des propriétés intéressants émergent souvent aux interfaces entre deux phases. Les conditions dans lesquelles les fermions de Majorana pourraient apparaître près de ces limites sont d'un intérêt actuel.

Les fermions de Majorana sont des excitations semblables à des particules appelées quasiparticules qui émergent à la suite du fractionnement (séparation) d'électrons individuels en deux moitiés. En d'autres termes, un électron devient une paire intriquée (liée) de deux quasiparticules de Majorana, avec le lien persistant quelle que soit la distance entre eux. Les scientifiques espèrent utiliser des fermions de Majorana qui sont physiquement séparés dans un matériau pour stocker de manière fiable des informations sous forme de qubits, les éléments constitutifs des ordinateurs quantiques. Les propriétés exotiques des Majoranas, y compris leur grande insensibilité aux champs électromagnétiques et autres « bruits » environnementaux, en font des candidats idéaux pour transporter des informations sur de longues distances sans perte.

Cependant, à ce jour, Les fermions de Majorana n'ont été réalisés que dans des matériaux à des conditions extrêmes, y compris à des températures glaciales proches du zéro absolu (−459 degrés Fahrenheit) et sous des champs magnétiques élevés. Et bien qu'ils soient "topologiquement" protégés des impuretés atomiques locales, désordre, et les défauts présents dans tous les matériaux (c. leurs propriétés spatiales restent les mêmes même si le matériau est plié, tordu, étiré, ou autrement déformé), ils ne survivent pas sous de fortes perturbations. En outre, la plage de températures sur laquelle ils peuvent fonctionner est très étroite. Pour ces raisons, Les fermions de Majorana ne sont pas encore prêts pour une application technologique pratique.

Maintenant, une équipe de physiciens dirigée par le laboratoire national de Brookhaven du département américain de l'Énergie (DOE) et comprenant des collaborateurs de Chine, Allemagne, et les Pays-Bas ont proposé une nouvelle méthode théorique pour produire des fermions de Majorana plus robustes. D'après leurs calculs, comme décrit dans un article publié le 15 janvier dans Lettres d'examen physique , ces Majoranas émergent à des températures plus élevées (de plusieurs ordres de grandeur) et ne sont en grande partie pas affectées par le désordre et le bruit. Même s'ils ne sont pas protégés topologiquement, elles peuvent persister si les perturbations changent lentement d'un point à un autre de l'espace.

"Nos calculs numériques et analytiques fournissent la preuve que les fermions de Majorana existent dans les limites de matériaux magnétiques avec différentes phases magnétiques, ou les directions des spins des électrons, positionnés l'un à côté de l'autre, " a déclaré le co-auteur Alexei Tsvelik, scientifique principal et chef du groupe de théorie de la matière condensée du département de physique de la matière condensée et de science des matériaux (CMPMS) du Brookhaven Lab. "Nous avons également déterminé le nombre de fermions de Majorana que vous devriez vous attendre à obtenir si vous combinez certaines phases magnétiques."

Pour leur étude théorique, les scientifiques se sont concentrés sur des matériaux magnétiques appelés échelles de spin, qui sont des cristaux formés d'atomes avec une structure tridimensionnelle (3-D) subdivisée en paires de chaînes qui ressemblent à des échelles. Bien que les scientifiques étudient les propriétés des systèmes d'échelle de spin depuis de nombreuses années et s'attendent à ce qu'ils produisent des fermions de Majorana, ils ne savaient pas combien. Pour effectuer leurs calculs, ils ont appliqué le cadre mathématique de la théorie quantique des champs pour décrire la physique fondamentale des particules élémentaires, et une méthode numérique (groupe de renormalisation de matrice densité) pour simuler des systèmes quantiques dont les électrons se comportent de manière fortement corrélée.

"Nous avons été surpris d'apprendre que pour certaines configurations de phases magnétiques, nous pouvons générer plus d'un fermion de Majorana à chaque frontière, " a déclaré le co-auteur et président du département CMPMS, Robert Konik.

Pour que les fermions de Majorana soient pratiquement utiles en informatique quantique, ils doivent être générés en grand nombre. Les experts en informatique pensent que le seuil minimum auquel les ordinateurs quantiques seront capables de résoudre des problèmes que les ordinateurs classiques ne peuvent pas résoudre est de 100 qubits. Les fermions de Majorana doivent également être mobiles de manière à pouvoir s'emmêler.

L'équipe prévoit de poursuivre son étude théorique avec des expériences utilisant des systèmes artificiels tels que des points quantiques (particules semi-conductrices nanométriques) ou des ions piégés (confinés). Par rapport aux propriétés des matériaux réels, ceux de ceux fabriqués peuvent être plus facilement réglés et manipulés pour introduire les différentes limites de phase où les fermions de Majorana peuvent émerger.

"De quoi sera faite la prochaine génération d'ordinateurs quantiques n'est pas clair pour le moment, " a déclaré Konik. "Nous essayons de trouver de meilleures alternatives aux supraconducteurs à basse température de la génération actuelle, similaire à la façon dont le silicium a remplacé le germanium dans les transistors. Nous en sommes à un stade si précoce que nous devons explorer toutes les possibilités disponibles."