Un microscope à effet tunnel (STM) a été utilisé pour visualiser les quasiparticules de Majorana (pics verts) se produisant aux extrémités des canaux de bord topologiques (régions jaunes) aux étapes atomiques d'un film mince de bismuth développé sur une surface supraconductrice. Les petits amas magnétiques sont considérés comme de petites bosses décorant le coin de ces bords. Aux interfaces entre les clusters magnétiques et le canal périphérique, les expériences ont détecté des quasiparticules robustes de Majorana, mais seulement lorsque l'aimantation de l'amas pointe le long du canal. Crédit :Yazdani Lab à l'Université de Princeton
Aussi mystérieux que le scientifique italien dont il porte le nom, la particule de Majorana est l'une des quêtes les plus fascinantes de la physique.
Sa renommée vient de ses propriétés étranges - c'est la seule particule qui est sa propre antiparticule - et de son potentiel à exploiter pour l'informatique quantique future.
Dans les années récentes, une poignée de groupes, dont une équipe à Princeton, ont rapporté avoir trouvé le Majorana dans divers matériaux, mais le défi est de savoir comment le manipuler pour le calcul quantique.
Dans une nouvelle étude publiée cette semaine, l'équipe de Princeton rapporte un moyen de contrôler les quasiparticules de Majorana dans un cadre qui les rend également plus robustes. Le cadre, qui combine un supraconducteur et un matériau exotique appelé isolant topologique, rend Majoranas particulièrement résistant à la destruction par la chaleur ou les vibrations de l'environnement extérieur. De plus, l'équipe a démontré un moyen d'allumer ou d'éteindre le Majorana à l'aide de petits aimants intégrés à l'appareil. Le rapport est paru dans le journal Science .
"Avec cette nouvelle étude, nous avons maintenant une nouvelle façon de concevoir des quasiparticules de Majorana dans les matériaux, " a déclaré Ali Yazdani, Classe de 1909 Professeur de physique et auteur principal de l'étude. "Nous pouvons vérifier leur existence en les imageant et nous pouvons caractériser leurs propriétés prédites."
Le Majorana porte le nom du physicien Ettore Majorana, qui a prédit l'existence de la particule en 1937 juste un an avant de disparaître mystérieusement lors d'un voyage en ferry au large des côtes italiennes. S'appuyant sur la même logique avec laquelle le physicien Paul Dirac a prédit en 1928 que l'électron doit avoir une antiparticule, identifié plus tard comme le positron, Majorana a théorisé l'existence d'une particule qui est sa propre antiparticule.
Généralement, lorsque la matière et l'antimatière se rencontrent, ils s'annihilent dans une violente libération d'énergie, mais les Majoranes, lorsqu'ils apparaissent par paires chacun à chaque extrémité de fils spécialement conçus, peuvent être relativement stables et interagir faiblement avec leur environnement. Les paires permettent le stockage d'informations quantiques à deux emplacements distincts, ce qui les rend relativement robustes aux perturbations car changer l'état quantique nécessite des opérations aux deux extrémités du fil en même temps.
Cette capacité a captivé les technologues qui envisagent un moyen de créer des bits quantiques, les unités de l'informatique quantique, plus robustes que les approches actuelles. Les systèmes quantiques sont appréciés pour leur potentiel à résoudre des problèmes impossibles à résoudre avec les ordinateurs d'aujourd'hui, mais ils nécessitent le maintien d'un état fragile appelé superposition, qui, s'il est perturbé, peut entraîner des défaillances du système.
Un ordinateur quantique basé sur Majorana stockerait des informations par paires de particules et effectuerait des calculs en les tressant les unes autour des autres. Les résultats du calcul seraient déterminés par l'annihilation des Majoranas les unes avec les autres, qui peut se traduire soit par l'apparition d'un électron (détecté par sa charge) soit par rien, selon la façon dont la paire de Majoranas a été tressée. Le résultat probabiliste de l'annihilation de la paire de Majorana sous-tend son utilisation pour le calcul quantique.
Le défi est de savoir comment créer et contrôler facilement des Majoranas. L'un des endroits où ils peuvent exister est aux extrémités d'une chaîne d'atomes magnétiques d'une épaisseur d'un seul atome sur un lit supraconducteur. En 2014, rapport dans Science , Yazdani et ses collaborateurs ont utilisé un microscope à effet tunnel (STM), dans lequel une pointe est traînée sur des atomes pour révéler la présence de quasiparticules, pour trouver Majoranas aux deux extrémités d'une chaîne d'atomes de fer reposant sur la surface d'un supraconducteur.
L'équipe a ensuite détecté la rotation quantique de Majorana, " une propriété partagée par les électrons et autres particules subatomiques. Dans un rapport publié dans Science en 2017, l'équipe a déclaré que la propriété de spin de Majorana est un signal unique permettant de déterminer qu'une quasiparticule détectée est bien une Majorana.
Dans cette dernière étude, l'équipe a exploré un autre endroit prévu pour trouver Majoranas :dans le canal qui se forme au bord d'un isolant topologique lorsqu'il est mis en contact avec un supraconducteur. Les supraconducteurs sont des matériaux dans lesquels les électrons peuvent voyager sans résistance, et les isolants topologiques sont des matériaux dans lesquels les électrons ne circulent que le long des bords.
La théorie prédit que les quasiparticules de Majorana peuvent se former au bord d'une mince feuille d'isolant topologique qui entre en contact avec un bloc de matériau supraconducteur. La proximité du supraconducteur amène les électrons à circuler sans résistance le long du bord topologique de l'isolant, qui est si fin qu'il peut être considéré comme un fil. Puisque les Majoranas se forment au bout des fils, il doit être possible de les faire apparaître en coupant le fil.
"C'était une prédiction, et c'était juste assis là toutes ces années, " a déclaré Yazdani. " Nous avons décidé d'explorer comment on pourrait réellement fabriquer cette structure en raison de son potentiel pour fabriquer des Majoranas qui seraient plus robustes aux imperfections des matériaux et à la température. "
L'équipe a construit la structure en évaporant une fine feuille d'isolant topologique de bismuth au sommet d'un bloc de supraconducteur de niobium. Ils ont placé des bits de mémoire magnétique de taille nanométrique sur la structure pour fournir un champ magnétique, qui fait dérailler le flux d'électrons, produisant le même effet que la coupe du fil. Ils ont utilisé STM pour visualiser la structure.
Lorsqu'ils utilisent leur microscope pour chasser le Majorana, cependant, les chercheurs ont d'abord été perplexes par ce qu'ils ont vu. Parfois, ils ont vu apparaître le Majorana, et d'autres fois, ils ne pouvaient pas le trouver. Après une exploration plus approfondie, ils ont réalisé que le Majorana n'apparaît que lorsque les petits aimants sont magnétisés dans la direction parallèle à la direction du flux d'électrons le long du canal.
"Quand nous avons commencé à caractériser les petits aimants, nous avons réalisé qu'ils sont le paramètre de contrôle, " dit Yazdani. " La façon dont l'aimantation du trépan est orientée détermine si le Majorana apparaît ou non. C'est un interrupteur marche-arrêt."
L'équipe a signalé que la quasiparticule de Majorana qui se forme dans ce système est assez robuste car elle se produit à des énergies distinctes des autres quasiparticules qui peuvent exister dans le système. La robustesse vient aussi de sa formation dans un mode de bord topologique, qui est intrinsèquement résistant à la perturbation. Les matériaux topologiques tirent leur nom de la branche des mathématiques qui décrit comment les objets peuvent être déformés par étirement ou flexion. Les électrons circulant dans un matériau topologique continueront donc à se déplacer autour des bosses ou des imperfections.
