Des preuves expérimentales de quasiparticules appelées anyons ont été trouvées par une équipe de scientifiques de l'Université Purdue. Les interférences électriques dans l'expérience ont créé un modèle que les chercheurs ont appelé un « intrigue de pyjama » ; des sauts dans la figure d'interférence étaient la signature de la présence d'anyons. Crédit :Image de l'Université Purdue/James Nakamura
De nouvelles preuves expérimentales d'un comportement collectif des électrons pour former des « quasiparticules » appelées « anyons » ont été rapportées par une équipe de scientifiques de l'Université Purdue.
Les anyons ont des caractéristiques que l'on ne retrouve pas dans d'autres particules subatomiques, y compris l'exposition de charges fractionnaires et de statistiques fractionnaires qui conservent une "mémoire" de leurs interactions avec d'autres quasiparticules en induisant des changements de phase en mécanique quantique.
Associé de recherche postdoctoral James Nakamura, avec l'aide des membres du groupe de recherche Shuang Liang et Geoffrey Gardner, fait la découverte en travaillant dans le laboratoire du professeur Michael Manfra. Manfra est professeur émérite de physique et d'astronomie, Bill et Dee O'Brien Chair de Purdue, professeur de physique et d'astronomie, professeur de génie électrique et informatique, et professeur de génie des matériaux. Bien que ce travail puisse éventuellement s'avérer pertinent pour le développement d'un ordinateur quantique, pour l'instant, Manfra a dit, il doit être considéré comme une étape importante dans la compréhension de la physique des quasiparticules.
Un document de recherche sur la découverte a été publié dans le Physique de la nature .
Le physicien théoricien Frank Wilczek, lauréat du prix Nobel, professeur de physique au MIT, a donné à ces quasiparticules le nom ironique "anyon" en raison de leur comportement étrange car contrairement à d'autres types de particules, ils peuvent adopter « n'importe quelle » phase quantique lorsque leurs positions sont échangées.
Avant les preuves croissantes d'anyons en 2020, les physiciens avaient classé les particules du monde connu en deux groupes :les fermions et les bosons. Les électrons sont un exemple de fermions, et photons, qui composent les ondes lumineuses et radio, sont des bosons. Une différence caractéristique entre les fermions et les bosons est la façon dont les particules agissent lorsqu'elles sont bouclées, ou tressé, l'un autour de l'autre. Fermions répond d'une manière simple, et les bosons d'une autre manière attendue et directe.
Anyons répondent comme s'ils avaient une charge fractionnaire, et encore plus intéressant, créent un changement de phase non négligeable lorsqu'ils se tressent l'un autour de l'autre. Cela peut donner aux anyons un type de "mémoire" de leur interaction.
"Les anyons n'existent que comme excitations collectives d'électrons dans des circonstances particulières, " a déclaré Manfra. "Mais ils ont ces propriétés manifestement cool, y compris la charge fractionnelle et les statistiques fractionnaires. C'est drôle, parce que tu penses, « Comment peuvent-ils avoir une charge inférieure à la charge élémentaire d'un électron ? » Mais ils le font."
Manfra a dit que lorsque des bosons ou des fermions sont échangés, ils génèrent un facteur de phase de plus un ou moins un, respectivement.
Les scientifiques de Purdue ont annoncé de nouvelles preuves expérimentales d'un comportement collectif des électrons pour former des « quasi-particules » appelées « anyons ». L'équipe a pu démontrer ce comportement en acheminant les électrons à travers une nanostructure gravée en forme de labyrinthe dans un dispositif nanométrique appelé interféromètre. Crédit :Image de l'Université Purdue/James Nakamura
"Dans le cas de nos anyons la phase générée par le tressage était de 2π/3, " dit-il. " C'est différent de ce qui a été vu dans la nature auparavant. "
Les Anyons n'affichent ce comportement que comme des foules collectives d'électrons, où de nombreux électrons se comportent comme un seul dans des conditions très extrêmes et spécifiques, on ne pense donc pas qu'ils se trouvent isolés dans la nature, dit Nakamura.
"Normalement dans le monde de la physique, on pense aux particules fondamentales, comme les protons et les électrons, et toutes les choses qui composent le tableau périodique, " dit-il. " Mais nous étudions l'existence de quasiparticules, qui émergent d'une mer d'électrons placés dans certaines conditions extrêmes."
Parce que ce comportement dépend du nombre de fois où les particules sont tressées, ou en boucle, l'un autour de l'autre, elles sont plus robustes dans leurs propriétés que les autres particules quantiques. Cette caractéristique est dite topologique car elle dépend de la géométrie du système et peut éventuellement conduire à des structures anyon beaucoup plus sophistiquées qui pourraient être utilisées pour construire des structures stables, ordinateurs quantiques topologiques.
L'équipe a pu démontrer ce comportement en acheminant les électrons à travers une nanostructure gravée en forme de labyrinthe faite d'arséniure de gallium et d'arséniure de gallium d'aluminium. Cet appareil, appelé interféromètre, confiné les électrons à se déplacer dans un chemin bidimensionnel. L'appareil a été refroidi à un centième de degré près du zéro absolu (10 millikelvin), et soumis à un puissant champ magnétique de 9 Tesla. La résistance électrique de l'interféromètre a généré un motif d'interférence que les chercheurs ont appelé un « tracé de pyjama ». Des sauts dans la figure d'interférence étaient la signature de la présence d'anyons.
"C'est certainement l'une des choses les plus complexes et compliquées à faire en physique expérimentale, " Chetan Nayak, physicien théoricien à l'Université de Californie, Santa Barbara a déclaré à Science News.
Nakamura a déclaré que les installations de Purdue ont créé l'environnement pour que cette découverte se produise.
« Nous avons la technologie pour développer le semi-conducteur à l'arséniure de gallium nécessaire à la réalisation de notre système électronique. Nous avons les installations de nanofabrication du Birck Nanotechnology Center pour fabriquer l'interféromètre, l'appareil que nous avons utilisé dans nos expériences. Au département de physique, nous avons la capacité de mesurer des températures ultra-basses et de créer des champs magnétiques puissants. nous avons tous les éléments nécessaires qui nous ont permis de faire cette découverte ici à Purdue. C'est une bonne chose de faire de la recherche ici et c'est pourquoi nous avons pu faire ce progrès."
Manfra a déclaré que la prochaine étape de la frontière des quasi-particules impliquerait la construction d'interféromètres plus complexes.
"Dans les nouveaux interféromètres, nous aurons la possibilité de contrôler l'emplacement et le nombre de quasiparticules dans la chambre, ", a-t-il déclaré. "Ensuite, nous pourrons modifier le nombre de quasiparticules à l'intérieur de l'interféromètre à la demande et modifier le modèle d'interférence à notre guise."
