Une nouvelle découverte sauvage montre comment on peut activer et désactiver les fermions de Majorana

La particule connue sous le nom de fermion de Majorana est aussi mystérieuse et incontrôlable qu’elle est unique. C’est la seule particule connue qui est aussi sa propre antiparticule, et ses propriétés en font un candidat séduisant pour les qubits, l’unité d’information de base d’un ordinateur quantique.

Toutefois, exploiter ce potentiel est plus facile à dire qu’à faire : les fermions de Majorana sont de petits êtres glissants. Mais une équipe de physiciens des particules vient d’annoncer qu’elle a trouvé un moyen de les contrôler.

“Nous disposons désormais d’un nouveau moyen de créer des quasi-particules de Majorana dans les matériaux”, a déclaré le physicien Ali Yazdani de l’université de Princeton. “Nous pouvons vérifier leur existence en les imitant et nous pouvons caractériser leurs propriétés prédites”

Le système est basé sur un supraconducteur en niobium, un matériau qui – lorsqu’il est surfondu juste au-dessus du zéro absolu – permet aux électrons de se déplacer sans résistance. Il est associé à un isolant topologique en bismuth, un matériau qui est isolant à l’intérieur, mais conducteur à l’extérieur.

Les quasi-particules de fermions de Majorana sont simultanément un électron conducteur et son antiparticule, le trou laissé par un tel électron dans un réseau atomique cristallin. Normalement, une particule et une antiparticule dans le même espace s’annihilent mutuellement, mais les paires intriquées de quasi-particules de Majorana sont maintenues à distance l’une de l’autre, à chaque extrémité d’un fil spécial.

Cela permet de stocker des informations quantiques à deux endroits distincts, ce qui signifie qu’elles ne peuvent être perturbées que si les deux extrémités du système sont perturbées en même temps.

Cependant, les quasi-particules de Majorana sont également très fragiles : elles ne survivent pas aux fortes perturbations vibratoires externes et ne peuvent exister que dans une petite plage de température. Le système supraconducteur-isolant topologique crée donc un cadre qui rend les fermions de Majorana plus robustes et plus résistants.

Mais en ajoutant de minuscules aimants, l’équipe a démontré autre chose, au-delà de cette stabilité accrue : Elle a pu activer et désactiver les quasi-particules.

Il était prévu que les quasi-particules de Majorana apparaissent au bord d’un isolant topologique en contact avec un semi-conducteur, où la proximité du supraconducteur provoque un flux d’électrons sans résistance le long du bord filiforme de l’isolant topologique.

Comme les quasi-particules de Majorana apparaissent aux extrémités des fils, il devrait être possible de les faire apparaître en “coupant” le “fil” de l’isolant. C’est donc ce que l’équipe a fait.

“C’était une prédiction, et elle est restée là toutes ces années”, a déclaré Yazdani. “Nous avons décidé d’explorer comment on pouvait effectivement réaliser cette structure en raison de son potentiel pour fabriquer des Majoranas qui seraient plus robustes aux imperfections du matériau et à la température.”

Ils ont mis en place le supraconducteur et l’isolant topologique, et ont ajouté des aimants pour interrompre le flux d’électrons, agissant effectivement comme la “coupure” dans le fil. Mais lorsqu’ils ont utilisé un microscope à effet tunnel pour étudier l’expérience, ils ont constaté que les quasi-particules n’apparaissaient que parfois.

Il est rapidement devenu évident que les aimants avaient quelque chose à voir avec cette expérience : Les quasi-particules de Majorana n’apparaissaient que lorsque les aimants étaient magnétisés parallèlement au flux d’électrons.

“Lorsque nous avons commencé à caractériser les petits aimants, nous avons réalisé qu’ils étaient le paramètre de contrôle”, a déclaré Yazdani. “C’est un interrupteur marche-arrêt”

Voici pourquoi avoir un contrôle aussi fin sur ces fermions est vraiment cool : Pour être utilisée dans l’informatique quantique, l’information serait stockée dans des paires de quasiparticules de Majorana. Le calcul serait effectué en tressant ces paires ensemble, les résultats du calcul dépendant de l’annihilation des paires.

Selon la façon dont les quasiparticules sont tressées, cette annihilation produirait une charge détectable qui indiquerait l’apparition d’un électron, ou rien. Le résultat probabiliste de cette annihilation pourrait devenir le fondement de l’informatique quantique de Majorana, bien que nous soyons encore très loin de cette réalité.

Alors, la prochaine étape ? Essayer de produire le même résultat dans des nanofils de bismuth, et d’autres isolants topologiques 2D et 3D.

Les recherches ont été publiées dans Science.