Les "fermions lourds" sont un moyen théorique attrayant de produire des phénomènes intriqués quantiques, mais jusqu'à récemment, ils ont été observés principalement dans des composés dangereusement radioactifs. Un nouveau papier en Lettres d'examen physique a montré qu'il est possible de fabriquer des fermions lourds dans du graphène subtilement modifié, ce qui est beaucoup moins cher et plus sûr.

Les composés de terres rares fascinent les chercheurs depuis des décennies en raison des propriétés quantiques uniques qu'ils présentent, qui sont restés jusqu'à présent totalement hors de portée des composés de tous les jours. L'une des propriétés les plus remarquables et exotiques de ces matériaux est l'émergence d'états supraconducteurs exotiques, et en particulier les états supraconducteurs nécessaires à la construction des futurs ordinateurs quantiques topologiques. Bien que ces composés spécifiques de terres rares, appelés supraconducteurs à fermions lourds, sont connus depuis des décennies, en tirer des technologies quantiques utilisables est resté un défi critique ouvert. En effet, ces matériaux contiennent des composés hautement radioactifs, comme l'uranium et le plutonium, les rendant d'une utilité limitée dans les technologies quantiques du monde réel.

De nouvelles recherches ont maintenant révélé une voie alternative pour concevoir les phénomènes fondamentaux de ces composés de terres rares uniquement avec du graphène, qui n'a aucun des problèmes de sécurité des composés traditionnels de terres rares. Le résultat passionnant du nouvel article montre comment un état quantique connu sous le nom de "fermion lourd" peut être produit en combinant trois couches de graphène torsadées. Un fermion lourd est une particule - dans ce cas un électron - qui se comporte comme si elle avait beaucoup plus de masse qu'elle n'en a réellement. La raison pour laquelle il se comporte de cette façon découle d'effets quantiques uniques à plusieurs corps qui n'étaient pour la plupart observés que dans les composés de terres rares jusqu'à présent. Ce comportement de fermions lourds est connu pour être la force motrice des phénomènes nécessaires à l'utilisation de ces matériaux pour le calcul quantique topologique. Ce nouveau résultat démontre une nouvelle, moyen non radioactif d'obtenir cet effet en utilisant uniquement du carbone, ouvrant une voie pour l'exploitation durable de la physique des fermions lourds dans les technologies quantiques.

Dans l'article rédigé par Aline Ramires, (Institut Paul Scherrer, Suisse) et José Lado (Université Aalto), les chercheurs montrent comment il est possible de créer des fermions lourds avec des matières non radioactives. Pour faire ça, ils ont utilisé du graphène, qui est une couche de carbone d'une épaisseur d'un atome. Bien qu'il soit chimiquement identique au matériau utilisé dans les crayons ordinaires, l'épaisseur sub-nanométrique du graphène signifie qu'il possède des propriétés électriques étonnamment uniques. En superposant les fines feuilles de carbone les unes sur les autres selon un motif spécifique, où chaque feuille est tournée par rapport à l'autre, les chercheurs peuvent créer l'effet des propriétés quantiques qui fait que les électrons du graphène se comportent comme des fermions lourds.

"Jusqu'à maintenant, les applications pratiques des supraconducteurs à fermions lourds pour l'informatique quantique topologique n'ont pas été beaucoup étudiées, en partie parce qu'il nécessitait des composés contenant de l'uranium et du plutonium, loin d'être idéal pour les applications en raison de leur nature radioactive, " explique le professeur Lado. " Dans ce travail, nous montrons que l'on peut viser à réaliser exactement la même physique juste avec le graphène. Alors que dans ce travail nous ne montrons que l'émergence du comportement des fermions lourds, aborder l'émergence de la supraconductivité topologique est une prochaine étape naturelle, qui pourrait potentiellement avoir un impact révolutionnaire pour l'informatique quantique topologique."

La supraconductivité topologique est un sujet d'intérêt critique pour les technologies quantiques, également abordé par des stratégies alternatives dans d'autres articles du département de physique appliquée de l'Université Aalto, y compris un article précédent du professeur Lado. "Ces résultats fournissent potentiellement une plate-forme à base de carbone pour l'exploitation des phénomènes de fermions lourds dans les technologies quantiques, sans nécessiter d'éléments de terres rares, " conclut le professeur Lado.