Des physiciens du MIT et d'ailleurs ont observé des preuves de fermions de Majorana - des particules qui sont théorisées comme étant également leur propre antiparticule - à la surface d'un métal commun :l'or. Il s'agit de la première observation de fermions de Majorana sur une plate-forme potentiellement extensible. Les résultats, publié dans le Actes de l'Académie nationale des sciences , sont une étape majeure vers l'isolement des particules comme stables, qubits à l'épreuve des erreurs pour l'informatique quantique.

En physique des particules, les fermions sont une classe de particules élémentaires qui comprend des électrons, protons, neutrons, et les quarks, qui constituent les éléments constitutifs de la matière. Pour la plupart, ces particules sont considérées comme des fermions de Dirac, après le physicien anglais Paul Dirac, qui a prédit le premier que toutes les particules fondamentales fermioniques devraient avoir une contrepartie, quelque part dans l'univers, sous forme d'antiparticule - essentiellement, un jumeau identique de charge opposée.

En 1937, le physicien théoricien italien Ettore Majorana a étendu la théorie de Dirac, prédisant que parmi les fermions, il devrait y avoir des particules, depuis nommé Majorana fermions, indiscernables de leurs antiparticules. Mystérieusement, le physicien a disparu lors d'un voyage en ferry au large des côtes italiennes juste un an après avoir fait sa prédiction. Depuis, les scientifiques recherchent la particule énigmatique de Majorana. Il a été suggéré, mais pas prouvé, que le neutrino peut être une particule de Majorana. D'autre part, les théoriciens ont prédit que les fermions de Majorana peuvent également exister dans les solides dans des conditions spéciales.

Maintenant, l'équipe dirigée par le MIT a observé des preuves de fermions de Majorana dans un système matériel qu'ils ont conçu et fabriqué, qui se compose de nanofils d'or cultivés au sommet d'un matériau supraconducteur, vanadium, et parsemé de petits, « îlots » ferromagnétiques de sulfure d'europium. Lorsque les chercheurs ont scanné la surface près des îles, ils ont vu des pointes de signal de signature près de zéro énergie sur la surface supérieure de l'or qui, selon la théorie, ne devrait être généré que par des paires de fermions de Majorana.

"Les ferminons Majorana sont ces choses exotiques, qui ont longtemps été un rêve à voir, et nous les voyons maintenant dans un matériau très simple - l'or, " dit Jagadeesh Moodera, chercheur principal au département de physique du MIT. "Nous avons montré qu'ils sont là, et stable, et facilement évolutif."

"La prochaine poussée sera de prendre ces objets et de les transformer en qubits, ce qui serait un énorme progrès vers l'informatique quantique pratique, " ajoute le co-auteur Patrick Lee, le professeur de physique William et Emma Rogers au MIT.

Les coauteurs de Lee et Moodera incluent l'ancien postdoctorant du MIT et premier auteur Sujit Manna (actuellement membre du corps professoral de l'Indian Institute of Technology à Delhi), et l'ancien postdoctorant du MIT Peng Wei de l'Université de Californie à Riverside, avec Yingming Xie et Kam Tuen Law de l'Université des sciences et technologies de Hong Kong.

Risque élevé

S'ils pouvaient être exploités, Les fermions de Majorana seraient idéaux comme qubits, ou des unités de calcul individuelles pour les ordinateurs quantiques. L'idée est qu'un qubit serait constitué de combinaisons de paires de fermions de Majorana, dont chacun serait séparé de son partenaire. Si des erreurs de bruit affectent un membre de la paire, l'autre ne doit pas être affecté, préservant ainsi l'intégrité du qubit et lui permettant d'effectuer correctement un calcul.

Les scientifiques ont recherché les fermions de Majorana dans les semi-conducteurs, les matériaux utilisés en conventionnel, calcul à base de transistors. Dans leurs expériences, les chercheurs ont combiné des semi-conducteurs avec des supraconducteurs, des matériaux à travers lesquels les électrons peuvent voyager sans résistance. Cette combinaison confère des propriétés supraconductrices aux semi-conducteurs conventionnels, qui, selon les physiciens, devrait inciter les particules du semi-conducteur à se diviser, formant la paire de fermions de Majorana.

"Il existe plusieurs plates-formes matérielles où les gens croient avoir vu des particules de Majorana, " dit Lee. " Les preuves sont de plus en plus fortes, mais ce n'est toujours pas prouvé à 100 pour cent."

Quoi de plus, les configurations à base de semi-conducteurs à ce jour ont été difficiles à mettre à l'échelle pour produire les milliers ou millions de qubits nécessaires à un ordinateur quantique pratique, car ils nécessitent la croissance de cristaux très précis de matériau semi-conducteur et il est très difficile de les transformer en supraconducteurs de haute qualité.

Il y a une dizaine d'années, Lee, travailler avec son étudiant diplômé Andrew Potter, eu une idée :peut-être que les physiciens pourraient observer les fermions de Majorana dans le métal, un matériau qui devient facilement supraconducteur à proximité d'un supraconducteur. Les scientifiques fabriquent régulièrement des métaux, y compris l'or, en supraconducteurs. L'idée de Lee était de voir si l'état de surface de l'or – sa couche supérieure d'atomes – pouvait être rendu supraconducteur. Si cela pouvait être atteint, alors l'or pourrait servir de propre, système atomiquement précis dans lequel les chercheurs pouvaient observer les fermions de Majorana.

Lee a proposé, basé sur les travaux antérieurs de Moodera avec les isolants ferromagnétiques, que s'il était placé au sommet d'un état de surface supraconducteur d'or, alors les chercheurs devraient avoir de bonnes chances de voir clairement les signatures des fermions de Majorana.

« Quand nous avons proposé cela pour la première fois, Je n'ai pas pu convaincre beaucoup d'expérimentateurs de l'essayer, parce que la technologie était intimidante, " dit Lee qui s'est finalement associé au groupe expérimental de Moodera pour obtenir un financement crucial de la Fondation Templeton pour réaliser la conception. " Jagadeesh et Peng ont vraiment dû réinventer la roue. C'était extrêmement courageux de se lancer là-dedans, parce que c'est vraiment un risque élevé, mais nous pensons que c'est un gros gain, chose."

"Trouver Majorana"

Au cours des dernières années, les chercheurs ont caractérisé l'état de surface de l'or et prouvé qu'il pouvait fonctionner comme une plate-forme d'observation des fermions de Majorana, après quoi le groupe a commencé à fabriquer la configuration que Lee avait envisagée il y a des années.

Ils ont d'abord fait pousser une feuille de vanadium supraconducteur, sur lesquels ils ont superposé des nanofils de couche d'or, mesurant environ 4 nanomètres d'épaisseur. Ils ont testé la conductivité de la couche supérieure de l'or, et j'ai trouvé que c'était le cas, En réalité, devenir supraconducteur à proximité du vanadium. Ils ont ensuite déposé sur les nanofils d'or des "îlots" de sulfure d'europium, un matériau ferromagnétique capable de fournir les champs magnétiques internes nécessaires pour créer les fermions de Majorana.

L'équipe a ensuite appliqué une petite tension et utilisé la microscopie à effet tunnel, une technique spécialisée qui a permis aux chercheurs de balayer le spectre d'énergie autour de chaque île à la surface de l'or.

Moodera et ses collègues ont alors recherché une signature énergétique très spécifique que seuls les fermions de Majorana devraient produire, s'ils existent. Dans tout matériau supraconducteur, les électrons se déplacent dans certaines gammes d'énergie. Il y a pourtant un désert, ou « gap d'énergie » où il ne devrait pas y avoir d'électrons. S'il y a une pointe à l'intérieur de cet espace, il s'agit très probablement d'une signature de fermions de Majorana.

En parcourant leurs données, les chercheurs ont observé des pointes à l'intérieur de cette bande interdite aux extrémités opposées de plusieurs îles le long de la direction du champ magnétique, qui étaient des signatures claires de paires de fermions de Majorana.

"Nous ne voyons cette pointe que sur les côtés opposés de l'île, comme la théorie l'avait prédit, " dit Moodera. " N'importe où ailleurs, vous ne le voyez pas."

« Dans mes entretiens, J'aime dire que nous trouvons Majorana, sur une île dans une mer d'or, " ajoute Lee.

Moodera dit la configuration de l'équipe, nécessitant seulement trois couches - de l'or pris en sandwich entre un ferromagnétique et un supraconducteur - est un "facilement réalisable, système stable" qui devrait également être économiquement évolutif par rapport au conventionnel, approches basées sur les semi-conducteurs pour générer des qubits.

"Voir une paire de fermions de Majorana est une étape importante vers la réalisation d'un qubit, " dit Wei. " La prochaine étape est de faire un qubit à partir de ces particules, et nous avons maintenant quelques idées sur la façon de procéder."

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.