Une micrographie électronique à balayage à vue inclinée prise de l'un des dispositifs à nanofils Majorana utilisés dans l'étude. Le nanofil est représenté en fausse couleur en bleu, qui est partiellement recouvert par le supraconducteur NbTiN représenté en violet. Les contacts jaunes sont des contacts métalliques qui peuvent être utilisés pour appliquer une tension à l'appareil et mesurer les propriétés supraconductrices à travers la conductivité de l'appareil. Crédit :Bommer et al.
Des chercheurs de l'Université de technologie de Delft ont récemment mené une étude sur l'interaction spin-orbite dans les nanofils de Majorana. Leur étude, Publié dans Lettres d'examen physique , est le premier à montrer clairement le mécanisme qui permet la création de l'insaisissable particule de Majorana, qui pourrait devenir la pierre angulaire d'un type d'ordinateur quantique plus stable.
"Notre recherche vise à vérifier expérimentalement le mode zéro de Majorana proposé théoriquement, " Jouri Bommer, l'un des chercheurs qui a mené l'étude, a dit à Phys.org par e-mail. « Cette particule, qui est sa propre antiparticule, présente un intérêt particulier, car il est prévu qu'il soit utile pour développer un ordinateur quantique topologique."
L'informatique quantique est un domaine prometteur de l'informatique qui explore l'utilisation des phénomènes de mécanique quantique et des états quantiques pour stocker des informations et résoudre des problèmes informatiques. À l'avenir, les ordinateurs quantiques pourraient s'attaquer à des problèmes que les méthodes informatiques traditionnelles sont incapables de résoudre, par exemple en permettant la conception informatique et déterministe de nouveaux médicaments et molécules.
Bien que ces ordinateurs puissent avoir des avantages notables, la plupart des approches de l'informatique quantique souffrent d'une sensibilité au bruit connue sous le nom de « décohérence ». Les chercheurs ont ainsi développé un nouveau type d'ordinateur quantique qui s'appuie sur les particules de Majorana, qui sont intrinsèquement protégés du bruit. Cette protection « topologique » nécessite de la supraconductivité, un phénomène qui permet un courant électrique sans dissipation.
"En codant l'information quantique dans la propriété topologique des modes zéro de Majorana, l'erreur/le problème de décohérence peut être résolu à partir du niveau fondamental de l'appareil, " a expliqué Bommer. " Ce nouveau système est intrinsèquement protégé du bruit, un problème qui afflige les approches alternatives à l'informatique quantique. La protection topologique contre le bruit s'apparente beaucoup au stockage d'informations sous la forme d'un nœud dans une corde :en secouant légèrement la corde, le nœud ne se défait pas."
La création de Majoranas repose sur un champ magnétique, ce qui est généralement incompatible avec la supraconductivité; une exigence certaine de Majoranas. Une solution pour surmonter cette limitation consiste à tirer parti de l'interaction du mouvement des électrons avec leurs "aimants internes, " un phénomène connu sous le nom d'interaction spin-orbite. En présence de cette interaction, un matériau ne ressent pas aussi fortement le champ magnétique requis par Majoranas, permettant ainsi la supraconductivité.
"Des recherches antérieures ont montré des signatures soutenant l'existence des modes zéro de Majorana, bien qu'à ce jour il y ait eu un débat considérable pour savoir si ces signatures expérimentales peuvent être imitées par d'autres phénomènes physiques, " a expliqué Bommer. " Dans notre récente publication, nous adoptons une approche différente et étudions les conditions préalables pour créer un mode zéro Majorana. Pour créer une Majorana, nous avons besoin d'un nanofil semi-conducteur qui a intrinsèquement une interaction spin-orbite, que nous couplons à un matériau supraconducteur pour faire « fuir » la supraconductivité dans le nanofil semi-conducteur."
Jusque là, la plupart des études ont supposé la présence d'une interaction spin-orbite dans les expériences qui ont montré des preuves pour les modes de Majorana. Néanmoins, personne n'avait encore étudié l'effet de cette interaction dans les fils de Majorana supraconducteurs et semi-conducteurs, ce qui est crucial pour créer ces modes.
« Dans notre étude, nous avons révélé cet effet et mesuré directement cette interaction spin-orbite et sa force, " a déclaré Bommer. "Nous y sommes parvenus en étudiant l'effet des champs magnétiques dans différentes directions sur la supraconductivité."
Typiquement, les champs magnétiques suppriment la supraconductivité en fermant la bande interdite supraconductrice. L'interaction spin-orbite contrecarre cette suppression lorsque le champ magnétique pointe dans des directions spécifiques. Dans leur expérience de transport d'électrons, donc, les chercheurs ont eu besoin d'un champ magnétique plus puissant pour combler cet écart.
En effectuant des calculs théoriques et en les comparant à leurs données expérimentales, Bommer et ses collègues ont pu estimer la force de l'interaction spin-orbite. Ce paramètre très important était auparavant inconnu dans les systèmes pour les applications de calcul quantique topologique.
"Nos observations montrent que l'interaction spin-orbite, l'un des ingrédients essentiels pour créer des modes Majorana, est présent dans le système et supporte ainsi les signatures des modes de Majorana qui ont été précédemment observés, " expliqua Bommer. " De plus, la physique observée par laquelle l'interaction spin-orbite protège la supraconductivité est précisément la physique qui est finalement responsable de la résilience attendue au bruit (c'est-à-dire la protection topologique) attendue pour un ordinateur quantique topologique.
L'étude menée par Bommer et ses collègues montre que la supraconductivité et l'interaction spin-orbite peuvent être présentes simultanément, dévoiler les mécanismes par lesquels l'interaction spin-orbite protège la supraconductivité dans les nanofils de Majorana. Leurs observations montrent que des implémentations plus avancées de ce système matériel devraient également bénéficier de la protection spin-orbite de l'information quantique et que la force spin-orbite estimée fournit une entrée importante pour la conception de circuits informatiques quantiques.
Les chercheurs prévoient maintenant d'autres recherches visant à trouver de nouvelles signatures expérimentales pour les modes zéro de Majorana en utilisant des systèmes de matériaux améliorés. Par exemple, ils ont changé le supraconducteur NbTiN en une fine couche d'aluminium, qui offre une bien meilleure supraconductivité.
"Nous cherchons aussi à observer les particules de Majorana aux deux extrémités du fil simultanément, ce qui est un argument de poids pour revendiquer l'observation de vrais modes Majorana, " a déclaré Bommer. "Ces améliorations sur lesquelles nous travaillons sont également nécessaires pour réaliser notre ambition de créer un ordinateur quantique qui utilise les particules de Majorana comme éléments constitutifs. Ces expériences dans un futur proche serviront non seulement d'étapes intermédiaires vers un qubit topologique, mais montreront également la physique de Majorana sous un aspect plus fondamental."
© 2019 Réseau Science X
