Une équipe conjointe de scientifiques de l'Université de Californie, Bord de rivière, et le Massachusetts Institute of Technology se rapproche de la confirmation de l'existence d'une particule quantique exotique appelée Majorana fermion, crucial pour l'informatique quantique tolérante aux pannes, le type d'informatique quantique qui résout les erreurs lors de son fonctionnement.

L'informatique quantique utilise des phénomènes quantiques pour effectuer des calculs. Les fermions de Majorana existent à la frontière de supraconducteurs spéciaux appelés supraconducteurs topologiques, qui ont un espace supraconducteur à l'intérieur et abritent des fermions de Majorana à l'extérieur, à leurs frontières. Les fermions de Majorana sont l'un des objets les plus recherchés en physique quantique car ce sont leurs propres antiparticules, ils peuvent diviser l'état quantique d'un électron en deux, et ils suivent des statistiques différentes par rapport aux électrons. Bien que beaucoup aient prétendu les avoir identifiés, les scientifiques ne peuvent toujours pas confirmer leur nature quantique exotique.

L'équipe de l'UCR-MIT a relevé le défi en développant un nouveau système de matériaux à hétérostructure, à base d'or, qui pourraient être potentiellement utilisées pour démontrer l'existence et la nature quantique des fermions de Majorana. Les matériaux à hétérostructure sont constitués de couches de matériaux très dissemblables qui, ensemble, montrent des fonctionnalités complètement différentes par rapport à leurs couches individuelles.

"Il n'est pas trivial de trouver un système matériel qui soit naturellement un supraconducteur topologique, " dit Peng Wei, un professeur assistant de physique et d'astronomie et un expérimentateur de la matière condensée, qui a co-dirigé l'étude, apparaissant dans Lettres d'examen physique , avec Jagadeesh Moodera et Patrick Lee du MIT. "Un matériau doit satisfaire à plusieurs conditions strictes pour devenir un supraconducteur topologique."

Le fermion de Majorane, considéré comme la moitié d'un électron, devrait se trouver aux extrémités d'un nanofil supraconducteur topologique. De façon intéressante, deux fermions de Majorana peuvent se combiner pour former un électron, permettant aux états quantiques de l'électron d'être stockés de manière non locale, un avantage pour l'informatique quantique tolérante aux pannes.

En 2012, les théoriciens du MIT, dirigé par Lee, ont prédit que les hétérostructures de l'or peuvent devenir un supraconducteur topologique dans des conditions strictes. Les expériences réalisées par l'équipe UCR-MIT ont atteint toutes les conditions nécessaires pour les hétérostructures de l'or.

« Atteindre une telle hétérostructure est très exigeant car plusieurs défis de la physique des matériaux devaient d'abord être relevés, " dit Wei, un ancien UCR qui est revenu sur le campus en 2016 du MIT.

Wei a expliqué que le document de recherche montre la supraconductivité, magnétisme, et le couplage spin-orbite des électrons peut coexister dans l'or - un défi difficile à relever - et être mélangé manuellement avec d'autres matériaux par le biais d'hétérostructures.

"La supraconductivité et le magnétisme ne coexistent généralement pas dans le même matériau, " il a dit.

L'or n'est pas un supraconducteur, il ajouta, et les états électroniques à sa surface non plus.

"Notre article montre pour la première fois que la supraconductivité peut être amenée aux états de surface de l'or, nécessitant une nouvelle physique, " dit-il. " Nous montrons qu'il est possible de faire de l'état de surface de l'or un supraconducteur, qui n'a jamais été montré auparavant."

Le document de recherche montre également que la densité électronique de la supraconductivité dans les états de surface de l'or peut être ajustée.

"Ceci est important pour la manipulation future des fermions de Majorana, requis pour une meilleure informatique quantique, " dit Wei. " Aussi, l'état de surface de l'or est un système bidimensionnel naturellement évolutif, ce qui signifie qu'il permet la construction de circuits de fermions de Majorana."

Outre Wei, Moodera, et Lee, l'équipe de recherche comprend également Sujit Manna et Marius Eich du MIT.