Une équipe de physiciens théoriques et expérimentaux a conçu un nouveau matériau ultra-mince qu'ils ont utilisé pour créer des états quantiques insaisissables. Appelés modes d'énergie zéro de Majorana unidimensionnels, ces états quantiques pourraient avoir un impact énorme pour l'informatique quantique.

Au cœur d'un ordinateur quantique se trouve un qubit, qui est utilisé pour faire des calculs à grande vitesse. Les qubits que Google, par exemple, dans son processeur Sycomore dévoilé l'an dernier, et d'autres utilisent actuellement sont très sensibles au bruit et aux interférences de l'environnement de l'ordinateur, ce qui introduit des erreurs dans les calculs. Un nouveau type de qubit, appelé qubit topologique, pourrait résoudre ce problème, et les modes 1D à énergie zéro de Majorana peuvent être la clé de leur création. "Un ordinateur quantique topologique est basé sur des qubits topologiques, qui sont censés être beaucoup plus tolérants au bruit que les autres qubits. Cependant, les qubits topologiques n'ont pas encore été produits en laboratoire, " explique le professeur Peter Liljeroth, le chercheur principal du projet.

Que sont les MZM ?

Les MZM sont des groupes d'électrons liés entre eux d'une manière spécifique, de sorte qu'ils se comportent comme une particule appelée fermion de Majorana, une particule semi-mythique proposée pour la première fois par le physicien semi-mythique Ettore Majorana dans les années 1930. Si les particules théoriques de Majorana pouvaient être liées entre elles, ils fonctionneraient comme un qubit topologique. Un hic :aucune preuve de leur existence n'a jamais été vue, soit en laboratoire, soit en astronomie. Au lieu d'essayer de fabriquer une particule que personne n'a jamais vue nulle part dans l'univers, les chercheurs essaient plutôt de faire en sorte que les électrons réguliers se comportent comme eux.

Pour faire des MZM, les chercheurs ont besoin de matériaux incroyablement petits, un domaine dans lequel se spécialise le groupe du professeur Liljeroth à l'université d'Aalto. Les MZM sont formés en donnant à un groupe d'électrons une quantité d'énergie très spécifique, puis les piéger ensemble pour qu'ils ne puissent pas s'échapper. Pour y parvenir, les matériaux doivent être en 2 dimensions, et aussi mince que physiquement possible. Pour créer des MZM 1D, l'équipe avait besoin de fabriquer un tout nouveau type de matériau 2D :un supraconducteur topologique.

La supraconductivité topologique est la propriété qui se produit à la frontière d'un isolant électrique magnétique et d'un supraconducteur. Pour créer des MZM 1D, L'équipe du professeur Liljeroth devait être capable de piéger des électrons ensemble dans un supraconducteur topologique, Cependant, ce n'est pas aussi simple que de coller n'importe quel aimant à n'importe quel supraconducteur.

"Si vous placez la plupart des aimants sur un supraconducteur, tu l'empêches d'être un supraconducteur, " explique le Dr Shawulienu Kezilebieke, le premier auteur de l'étude. « Les interactions entre les matériaux perturbent leurs propriétés, mais pour faire des MZM, vous avez besoin des matériaux pour interagir juste un peu. L'astuce consiste à utiliser des matériaux 2D :ils interagissent les uns avec les autres juste assez pour créer les propriétés dont vous avez besoin pour les MZM, mais pas tellement qu'ils se perturbent les uns les autres."

La propriété en question est le spin. Dans un matériau magnétique, le spin est aligné tous dans le même sens, alors que dans un supraconducteur, le spin est anti-aligné avec des directions alternées. L'association d'un aimant et d'un supraconducteur détruit généralement l'alignement et l'anti-alignement des spins. Cependant, dans les matériaux en couches 2-D, les interactions entre les matériaux sont juste suffisantes pour "incliner" les spins des atomes suffisamment pour qu'ils créent l'état de spin spécifique, appelé couplage spin-orbite Rashba, nécessaires pour faire les MZM.

Trouver les MZM

Le supraconducteur topologique dans cette étude est constitué d'une couche de bromure de chrome, un matériau qui est encore magnétique lorsqu'il n'a qu'un atome d'épaisseur. L'équipe du professeur Liljeroth a fait pousser des îlots de bromure de chrome d'une épaisseur d'un atome sur un cristal supraconducteur de diséléniure de niobium, et mesuré leurs propriétés électriques à l'aide d'un microscope à effet tunnel. À ce point, ils se sont tournés vers l'expertise en modélisation informatique du professeur Adam Foster de l'université d'Aalto et du professeur Teemu Ojanen, maintenant à l'Université de Tampere, pour comprendre ce qu'ils avaient fait.

"Il y avait beaucoup de travail de simulation nécessaire pour prouver que le signal que nous voyons était causé par les MZM, et pas d'autres effets, ", explique le professeur Foster. "Nous devions montrer que toutes les pièces s'assemblaient pour prouver que nous avions produit des MZM."

L'équipe est désormais sûre de pouvoir créer des MZM 1D dans des matériaux bidimensionnels, la prochaine étape sera d'essayer de les transformer en qubits topologiques. Cette étape a jusqu'à présent échappé aux équipes qui ont déjà réalisé des MZM 0-dimensionnels, et l'équipe d'Aalto ne veut pas spéculer si le processus sera plus facile avec les MZM à une dimension, Cependant, ils sont optimistes quant à l'avenir des MZM 1D.

« La partie intéressante de cet article est que nous avons créé des MZM dans des matériaux 2D, " a déclaré le professeur Liljeroth " En principe, ils sont plus faciles à fabriquer et à personnaliser les propriétés de, et finalement en faire un appareil utilisable."

Le papier, Supraconductivité topologique dans une hétérostructure de van der Waals, a été publié le 17 décembre dans La nature .