La chasse aux particules, c'est un jeu auquel jouent tant de physiciens. Parfois, la chasse se déroule à l'intérieur de grands supercollisionneurs, où des collisions spectaculaires sont nécessaires pour trouver des particules cachées et une nouvelle physique. Pour les physiciens étudiant les solides, le jeu se déroule dans un environnement bien différent et les particules recherchées ne proviennent pas de collisions furieuses. Au lieu, entités semblables à des particules, appelées quasiparticules, émergent d'interactions électroniques complexes qui se produisent au plus profond d'un matériau. Parfois, les quasiparticules sont faciles à sonder, mais d'autres sont plus difficiles à repérer, se cache juste hors de portée.

De nouvelles mesures montrent la présence de particules exotiques de Majorana à la surface d'un supraconducteur non conventionnel, Ditellurure d'uranium. Graphique fourni par le Dr E. Edwards, Directeur général de l'Illinois Quantum Information Science and Technology Center (IQUIST).

Aujourd'hui, une équipe de chercheurs de l'Université de l'Illinois, dirigé par le physicien Vidya Madhavan, en collaboration avec des chercheurs du National Institute of Standards and Technology, l'Université du Maryland, Collège de Boston, et ETH Zurich, ont utilisé des outils de microscopie à haute résolution pour scruter le fonctionnement interne d'un type inhabituel de supraconducteur, ditellurure d'uranium (UTe 2 ). Leurs mesures révèlent des preuves solides que ce matériau peut être un foyer naturel pour une quasi-particule exotique qui se cache des physiciens depuis des décennies. L'étude est publiée dans le numéro du 26 mars de La nature .

Les particules en question ont été théorisées en 1937 par un physicien italien nommé Ettore Majorana, et depuis, les physiciens ont essayé de prouver qu'ils peuvent exister. Les scientifiques pensent qu'une classe particulière de matériaux appelés supraconducteurs chiraux non conventionnels peut naturellement héberger des Majoranas. UTe 2 peut avoir toutes les bonnes propriétés pour engendrer ces quasi-particules insaisissables.

"Nous connaissons la physique des supraconducteurs conventionnels et comprenons comment ils peuvent conduire l'électricité ou transporter des électrons d'un bout à l'autre d'un fil sans résistance, " a déclaré Madhavan. " Les supraconducteurs chiraux non conventionnels sont beaucoup plus rares, et la physique est moins connue. Les comprendre est important pour la physique fondamentale et a des applications potentielles en informatique quantique, " elle a dit.

À l'intérieur d'un supraconducteur normal, les électrons s'apparient d'une manière qui permet le sans perte, courants persistants. Cela contraste avec un conducteur normal, comme du fil de cuivre, qui s'échauffe au passage du courant. Une partie de la théorie derrière la supraconductivité a été formulée il y a des décennies par trois scientifiques de l'Université de Ier qui ont remporté un prix Nobel de physique pour leurs travaux. Pour ce type conventionnel de supraconductivité, les champs magnétiques sont l'ennemi et brisent les paires, remettre le matériel à la normale. Au cours de la dernière année, les chercheurs ont montré que le ditellurure d'uranium se comporte différemment.

En 2019, Sheng Ran, Nicholas Butch (tous deux co-auteurs de cette étude) et leurs collaborateurs ont annoncé que l'UTe 2 reste supraconducteur en présence de champs magnétiques jusqu'à 65 Tesla, qui est d'environ 10, 000 fois plus puissant qu'un aimant de réfrigérateur. Ce comportement non conventionnel, combiné avec d'autres mesures, a conduit les auteurs de cet article à supposer que les électrons s'appariaient d'une manière inhabituelle qui leur permettait de résister aux ruptures. L'appariement est important car les supraconducteurs ayant cette propriété pourraient très probablement avoir des particules de Majorana à la surface. La nouvelle étude de Madhavan et de ses collaborateurs renforce ce cas.

L'équipe a utilisé un microscope à haute résolution appelé microscope à effet tunnel pour rechercher des preuves de l'appariement inhabituel des électrons et des particules de Majorana. Ce microscope peut non seulement cartographier la surface du ditellurure d'uranium jusqu'au niveau des atomes, mais aussi sonder ce qui se passe avec les électrons. Le matériau lui-même est argenté avec des marches qui dépassent de la surface. Ces caractéristiques d'étape sont celles où la preuve des quasiparticules de Majorana est la plus visible. Ils offrent un bord net qui, si les prédictions sont correctes, devrait montrer les signatures d'un courant continu qui se déplace dans une direction, même sans application d'une tension. L'équipe a scanné les côtés opposés de la marche et a vu un signal avec un pic. Mais le pic était différent, selon le côté de la marche qui a été numérisé.

"En regardant des deux côtés de la marche, vous voyez un signal qui est une image miroir l'un de l'autre. Dans un supraconducteur normal, tu ne peux pas trouver ça, " a déclaré Madhavan. " La meilleure explication pour voir les images miroir est que nous mesurons directement la présence de particules de Majorana en mouvement, " a déclaré Madhavan. L'équipe dit que les mesures indiquent que les quasi-particules de Majorana en mouvement libre circulent ensemble dans une direction, donnant lieu à un miroir, ou chiral, signaux.

Madhavan dit que la prochaine étape consiste à effectuer des mesures qui confirmeraient que le matériau a rompu la symétrie d'inversion du temps. Cela signifie que les particules devraient se déplacer différemment si la flèche du temps était théoriquement inversée. Une telle étude fournirait des preuves supplémentaires de la nature chirale de l'UTe 2 .

Si confirmé, le ditellurure d'uranium serait le seul matériau, autre que l'He-3 superfluide, avéré être un supraconducteur chiral non conventionnel. "C'est une énorme découverte qui va nous permettre de comprendre ce type rare de supraconductivité, et peut-être, à l'heure, nous pourrions même manipuler les quasiparticules de Majorana d'une manière utile pour la science de l'information quantique."