La plupart des matériaux contiennent de nombreux électrons, chacun possédant une charge négative et un type de moment quantique intrinsèque appelé spin. Les interactions entre les électrons de certains matériaux peuvent produire des particules émergentes ou des particules ayant des caractéristiques totalement différentes de celles des électrons qui les composent. Les exemples incluent des matériaux dans lesquels la rotation et la charge se séparent et des matériaux dans lesquels l'unité de charge se décompose en fractions plus petites.

Les majoranas, qui entrent dans cette catégorie de particules émergentes, peuvent exister dans certains types de supraconducteurs et dans un état quantique de la matière appelé liquide de spin. Deux Majoranas se combinent pour former un électron, les scientifiques visent donc à identifier les matériaux dans lesquels ces Majoranas peuvent exister séparément. Cela permettrait aux chercheurs d'observer les capacités uniques que ces particules démontrent par elles-mêmes, notamment des méthodes efficaces pour stocker et transférer des informations sur de grandes distances.

Dans la poursuite de cet objectif, une équipe de chercheurs comprenant Amir Yacoby de l'Université Harvard, membre du Quantum Science Center dont le siège est au Laboratoire national d'Oak Ridge du ministère de l'Énergie, a publié un article de synthèse dans Science. sur l'état du domaine de la recherche Majorana. Le QSC est un centre national de recherche en sciences de l'information quantique du DOE.

L'équipe, composée de chercheurs de Harvard, de l'Université de Princeton et de l'Université libre de Berlin, se concentre sur l'étude du comportement de Majorana afin de renforcer les connaissances sur les applications potentielles de ces particules et leur impact sur les phénomènes scientifiques fondamentaux.

"Ces particules particulières n'existent que dans certains matériaux", a déclaré Yacoby. "Donc, les questions sont les suivantes :dans quels matériaux existent-ils et comment ? Et quels types de tests pouvons-nous effectuer pour déterminer si un matériau particulier a le potentiel d'héberger des Majoranas ? Répondre à ces questions est l'un des principaux défis dans ce domaine. "

Dans leur article, les chercheurs décrivent les progrès réalisés au cours de la dernière décennie et se concentrent principalement sur les quatre plates-formes prometteuses pour isoler et mesurer les Majoranas :les nanofils, l'effet Hall quantique fractionnaire, les matériaux topologiques et les jonctions Josephson.

Les nanofils, qui constituent l'option la plus étudiée pour réaliser des systèmes quantiques basés sur Majorana, sont de fines tiges constituées d'un matériau semi-conducteur. Une autre façon de créer une atmosphère hospitalière pour Majoranas est d'activer l'effet Hall quantique fractionnaire, qui se produit lorsque les électrons se déplacent dans un plan soumis à un champ magnétique puissant.

De nombreux matériaux topologiques sont également des hôtes potentiels pour les Majoranas en raison de leur structure apparemment contradictoire de régions intérieures qui agissent comme isolants électriques et de régions extérieures qui conduisent facilement l'électricité. Enfin, les jonctions Josephson sont constituées de deux supraconducteurs séparés par un morceau de métal normal ou un semi-conducteur. Des études QSC antérieures ont indiqué que ces sandwichs supraconducteurs pourraient être conçus pour loger confortablement les Majoranas.

"Lorsque nous appliquons de nouvelles techniques à ces différents types de matériaux, nous découvrons souvent des choses auxquelles nous ne nous attendions pas", a déclaré Yacoby. "Une partie de notre objectif est de mieux comprendre ce que nous voyons exactement dans les signatures que nous observons."

Cette recherche s’aligne sur les priorités de QSC. Les chercheurs travaillent avec d'autres membres du QSC, dont Prineha Narang à UCLA et Stephen Jesse à ORNL, pour continuer à concevoir de nouvelles méthodologies théoriques et expérimentales visant à sélectionner des matériaux pour Majoranas.

"Grâce au QSC, nous avons pu tirer parti des nouvelles technologies qui émergent au sein de la communauté des sciences quantiques", a déclaré Yacoby. "Celles-ci incluent de nouvelles façons de mesurer et de sonder la matière pour concevoir de nouveaux tests qui nous diront si un matériau mérite d'être considéré comme un hôte possible pour Majoranas ou non."