Des chercheurs japonais et coréens affirment avoir trouvé des « preuves concluantes » de l’existence de particules théoriquement proposées appelées fermions de Majorana. La preuve de l’existence de ces particules tant recherchées est apparue dans le comportement thermodynamique d’un aimant dit de Kitaev, et les chercheurs affirment que leurs observations ne peuvent pas être expliquées par des théories alternatives.
Les fermions de Majorana doivent leur nom au physicien italien Ettore Majorana, qui a prédit leur existence en 1937. Ces particules ont la particularité d'être leurs propres antiparticules, et au début des années 2000, le physicien théoricien Alexeï Kitaïev prédit qu'ils pourraient exister sous la forme de quasiparticules constituées de deux électrons appariés.
Ces quasiparticules sont connues sous le nom d'anyons non abéliens et l'un de leurs principaux attraits est qu'elles sont robustes aux perturbations externes. Plus précisément, Kitaev a montré que, s'ils étaient utilisés comme bits quantiques (ou qubits), certains états seraient « topologiquement protégés », ce qui signifie qu'ils ne peuvent pas être inversés de manière aléatoire par un bruit externe. Ceci est important car de telles perturbations constituent l’un des principaux obstacles à la création d’un ordinateur quantique pratique et résistant aux erreurs.
Kitaev a proposé plus tard que ces états de Majorana pourraient être conçus comme des états de défauts électroniques qui se produisent aux extrémités de nanofils quantiques fabriqués à partir d'un semi-conducteur situé à proximité d'un supraconducteur. De nombreux travaux ultérieurs se sont donc concentrés sur la recherche du comportement de Majorana dans les hétérostructures semi-conductrices-supraconductrices.
Une approche différente
Dans la dernière étude, des chercheurs dirigés par Takasada Shibauchi des Département de science des matériaux avancés de l'Université de Tokyo, Japon, avec des collègues du Institut coréen de sciences et technologies (KAIST), a adopté une approche différente. Leurs travaux se concentrent sur un matériau appelé α-RuCl3, qui est un « hôte » potentiel pour les fermions de Majorana car il peut appartenir à une classe de matériaux connus sous le nom de liquides de spin de Kitaev (KSL).
Ces matériaux sont eux-mêmes un sous-type de liquides à spin quantique – des matériaux magnétiques solides qui ne peuvent pas organiser leurs moments magnétiques (ou spins) selon un motif régulier et stable. Ce comportement « frustré » est très différent de celui des ferromagnétiques ou antiferromagnétiques ordinaires, qui ont des spins qui pointent respectivement dans la même direction ou dans des directions alternées. Dans les QSL, les spins changent constamment de direction de manière fluide, même à des températures ultra-froides.
Pour être qualifié de KSL, un matériau doit avoir un réseau bidimensionnel en forme de nid d'abeille parfait (exactement soluble), et les spins à l'intérieur de ce réseau doivent être couplés via des interactions d'échange inhabituelles (de type Ising). De telles interactions sont responsables des propriétés magnétiques de matériaux courants tels que le fer et se produisent entre des paires de particules identiques telles que des électrons, avec pour effet d’empêcher les spins des particules voisines de pointer dans la même direction. Les KSL souffriraient ainsi d’une frustration liée au « couplage d’échange ».
Dans α-RuCl3, qui a une structure en nid d'abeilles en couches, chaque Ru3+ L'ion (avec un spin effectif de -1/2) a trois liaisons. Shibauchi et ses collègues expliquent qu'une annulation des interactions entre les deux chemins Ru-Cl-Ru les plus courts à 90° conduit à des interactions d'Ising avec l'axe de spin perpendiculaire au plan qui inclut ces deux chemins.
«La marque des excitations Majorana»
Dans leurs expériences, les chercheurs ont mesuré la capacité thermique d'un monocristal d'α-RuCl3 en utilisant une configuration haute résolution de pointe. Cette configuration était contenue dans un réfrigérateur à dilution équipé d'un rotateur piézoélectrique à deux axes et d'un aimant supraconducteur qui applique un champ magnétique rotatif au plan en nid d'abeille de l'échantillon. Ces mesures ont révélé un mode de bord topologique dans le matériau avec une dépendance très particulière à l'angle du champ magnétique. Plus précisément, les chercheurs ont découvert qu'à très basse température, la capacité thermique du matériau (une quantité thermodynamique) présente des excitations sans interruption qui se transforment en excitations avec intervalle lorsque l'angle du champ magnétique est incliné de quelques degrés seulement. Cette dépendance à l'angle de champ est, disent-ils, caractéristique des excitations des quasiparticules de Majorana.
"C'est la caractéristique des excitations Majorana attendues dans l'état liquide de spin, qui a été théoriquement formulée par Kitaev en 2006", explique Shibauchi. Monde de la physique. "Nous pensons que cela ne peut pas être expliqué par des images alternatives et fournit ainsi des preuves concluantes de ces excitations."
Shibauchi reconnaît que les résultats précédents de telles mesures ont été controversés car les chercheurs ont eu du mal à dire si un phénomène connu sous le nom d'effet Hall quantique demi-entier – une signature du mode de bord Majorana – est apparu ou non. Alors que certains échantillons ont montré cet effet, d’autres non, ce qui laisse penser qu’un phénomène différent pourrait en être responsable. Cependant, Shibauchi affirme que l'approche nouvelle de l'équipe, axée sur la fonctionnalité de fermeture de l'espace dépendant de l'angle, spécifique aux excitations de Majorana, « répond à ces défis ».
Encore un long chemin à parcourir
Selon les chercheurs, les nouveaux résultats montrent que les fermions de Majorana peuvent être excités dans l'état liquide de spin d'un isolant magnétique. "Si l'on parvient à trouver un moyen de manipuler ces nouvelles quasiparticules (ce qui ne sera pas une tâche facile, cela dit), des calculs quantiques topologiques tolérants aux pannes pourraient être réalisés à l'avenir", explique Shibauchi.
Dans leur travail, qui est détaillé dans Science Advances, les chercheurs ont dû appliquer un champ magnétique relativement élevé pour atteindre l'état liquide de spin de Kitaev qui héberge le comportement de Majorana. Ils recherchent désormais des matériaux alternatifs dans lesquels l’état Majorana pourrait apparaître à des champs inférieurs, voire nuls. Emilio Cobanera, physicien au Institut polytechnique SUNY de New York qui n'a pas participé à l'étude, reconnaît que de tels matériaux sont possibles.
Les modes Majorana continuent d'échapper
"Grâce au travail de détective de Shibauchi et de ses collègues, nous pouvons ajouter à la liste les couches de la phase stable de RuCl3 avec confiance, et peut-être sommes-nous enfin en train de développer les techniques expérimentales et l'ingéniosité nécessaires pour révéler des anyons dans de nombreux autres matériaux », dit-il. « Dans leur travail, l'équipe a dû faire la différence entre deux scénarios exotiques : d'une part la physique du modèle en nid d'abeilles de Kitaev, un modèle d'anyons exactement résoluble, et d'autre part une nouvelle physique, des magnons associés à des structures de bandes topologiquement non triviales. »
Cobanera souligne que, comme le notent Shibauchi et ses collègues eux-mêmes, ces deux scénarios donneraient des prédictions très différentes pour le comportement de la conductance thermique de Hall en cas de changements de direction d'un champ magnétique appliqué dans le plan. Ils ont donc suivi cette observation avec des mesures thermiques mésoscopiques de pointe qui, selon Cobanera, sont clairement incompatibles avec une explication magnonique et soutiennent de manière semi-quantitative le scénario des anyons.
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- La source: https://physicsworld.com/a/heat-capacity-measurements-reveal-majorana-fermions/
