Les particules de Majorana sont des membres très particuliers de la famille des particules élémentaires. Prédite pour la première fois en 1937 par le physicien italien Ettore Majorana, ces particules appartiennent au groupe des fermions, un groupe qui comprend également des électrons, neutrons et protons. Les fermions de Majorana sont électriquement neutres et possèdent également leurs propres antiparticules. Ces particules exotiques peuvent, par exemple, émergent comme des quasi-particules dans les supraconducteurs topologiques et représentent des blocs de construction idéaux pour les ordinateurs quantiques topologiques.

Passer à deux dimensions

En route vers de tels ordinateurs quantiques topologiques basés sur les quasi-particules de Majorana, des physiciens de l'Université de Würzburg et des collègues de l'Université de Harvard (États-Unis) ont franchi une étape importante :alors que les expériences précédentes dans ce domaine se sont principalement concentrées sur les systèmes unidimensionnels, les équipes de Würzburg et Harvard ont réussi à passer aux systèmes bidimensionnels.

Dans cette collaboration, les groupes d'Ewelina Hankiewicz (Theoretische Physik IV) et Laurens Molenkamp (Experimentelle Physik III) de l'Université de Würzburg se sont associés aux groupes d'Amir Yacoby et Bertrand Halperin de l'Université de Harvard. Leurs résultats sont présentés dans le numéro actuel de la revue scientifique La nature .

Deux supraconducteurs peuvent simplifier les choses

"Réaliser les fermions de Majorana est l'un des sujets les plus étudiés en physique de la matière condensée, " dit Ewelina Hankiewicz. Selon elle, les réalisations précédentes se sont généralement concentrées sur des systèmes unidimensionnels tels que les nanofils. Elle explique qu'une manipulation des fermions de Majorana est très difficile dans ces configurations. Il faudrait donc des efforts importants pour rendre les fermions de Majorana dans ces configurations éventuellement applicables à l'informatique quantique.

Afin d'éviter certaines de ces difficultés, les chercheurs ont étudié les fermions de Majorana dans un système bidimensionnel avec un fort couplage spin-orbite. "Le système que nous étudions est une jonction Josephson à phase contrôlée, C'est, deux supraconducteurs séparés par une région normale, " explique Laurens Molenkamp. La différence de phase supraconductrice entre les deux supraconducteurs fournit un bouton supplémentaire, ce qui rend un réglage fin complexe des autres paramètres du système au moins partiellement inutile.

Un pas important vers un meilleur contrôle

Dans le matériel étudié, un puits quantique de tellurure de mercure couplé à de l'aluminium supraconducteur en couche mince, les physiciens ont observé pour la première fois une transition de phase topologique qui implique l'apparition de fermions de Majorana dans des jonctions Josephson contrôlées en phase.

Le dispositif réalisé expérimentalement ici constitue une plateforme polyvalente pour la création, manipulation et contrôle des fermions de Majorana, qui offre plusieurs avantages par rapport aux plates-formes unidimensionnelles précédentes. Selon Hankiewicz, "C'est une étape importante vers un meilleur contrôle des fermions de Majorana." La preuve de concept d'un supraconducteur topologique basé sur une jonction Josephson bidimensionnelle ouvre de nouvelles possibilités pour la recherche sur les fermions de Majorana en physique de la matière condensée. En particulier, plusieurs contraintes de réalisations antérieures de fermions de Majorana peuvent être évitées.

Révolution potentielle dans la technologie informatique

À la fois, un meilleur contrôle des fermions de Majorana représente une étape importante vers les ordinateurs quantiques topologiques. Théoriquement, ces ordinateurs peuvent être nettement plus puissants que les ordinateurs conventionnels. Ils ont ainsi le potentiel de révolutionner la technologie informatique.

Prochain, les chercheurs prévoient d'améliorer les jonctions Josephson et de se diriger vers des jonctions avec des régions normales plus étroites. Ici, des fermions de Majorana plus localisés sont attendus. Ils étudient en outre des possibilités supplémentaires de manipulation des fermions de Majorana, par exemple, en utilisant d'autres semi-conducteurs.