Une preuve assez solide sur le fermion de Majorana

Une équipe estime qu’elle a découvert des preuves suffisamment solides sur le fermion de Majorana. Sa particularité est que c’est une particule qui est sa propre antiparticule.


Une équipe estime qu'elle a découvert des preuves suffisamment solides sur le fermion de Majorana. Sa particularité est que c'est une particule qui est sa propre antiparticule.

En 1928, le physicien Paul Dirac avait fait la prévision que chaque particule fondamentale dans l’univers possède une qui est son jumeau identique, mais avec une charge opposée. Quand les particules et les antiparticules se rencontrent, alors elles s’annulent mutuellement en libérant une grande quantité d’énergie. Et quelques années plus tard, on a découvert la première antiparticule avec le positron qui est le contraire de l’électron et l’antimatière est devenue une partie de la science moderne.

Mais en 1937, un autre physicien génial, , a introduit son grain de sable : il a prédit que dans la classe de particules connue sous le nom de fermions, qui comprend le proton, le neutron, l’électron, le neutrino et le quark, il devrait y avoir des particules qui sont leurs propres antiparticules.

Désormais, une équipe comprenant des scientifiques de Stanford a déclaré qu’elle a trouvé la première preuve suffisamment solide d’un fermion de Majorana. On l’a découvert dans une série d’expériences de laboratoire sur des matériaux exotiques à l’Université de Californie en collaboration avec l’Université de Stanford. L’équipe a été dirigée par Jing Xia, Shoucheng Zhang et ses collègues. L’équipe a publié ses résultats dans la revue Science.

Notre équipe a prédit exactement dans quelles conditions on peut trouver le de Majorana et quelle est la signature expérimentale qu’il faut chercher selon Zhang, physicien théorique et l’un des principaux auteurs du papier.

Même si la recherche du fermion de Majorana semble plus intellectuelle que pratique, elle pourrait avoir des implications réelles pour construire des ordinateurs quantiques même si c’est très hypothétique. Le type de fermion de Majorana, observé par l’équipe, est connu comme un fermion « chiral », car il se déplace sur une trajectoire unidimensionnelle dans une seule direction. Les expériences pour le produire sont très difficiles, mais elles offrent un signal qui est clair et sans ambiguïté selon les chercheurs.

Il semble que ce soit une belle observation sur quelque chose de vraiment nouveau selon Frank Wilczek, physicien théorique et lauréat du prix Nobel de qui n’a pas participé à l’étude. Mais ce n’est pas surprenant, car depuis longtemps, les physiciens pensent que les fermions de Majorana pourraient se trouver dans les types de matériaux utilisés dans cette expérience. Mais cette fois, l’équipe a utilisé plusieurs éléments novateurs pour qu’on puisse l’accepter comme une preuve fiable.

À la recherche des « quasi-particules »

La prédiction de Majorana s’appliquait uniquement aux fermions sans charge comme le neutron et le neutrino. Les scientifiques connaissent l’antiparticule pour le neutron, mais ils ont de bonnes raisons de croire que le neutrino pourrait être sa propre antiparticule et il y a 4 expériences en cours pour le découvrir incluant l’EXO-200 au Nouveau-Mexique. Mais ces expériences sont d’une difficulté inouïe et on ne doit pas espérer des résultats avant une décennie.

Il y a environ 10 ans, les scientifiques ont constaté que les fermions de Majorana pourraient également être créés dans des expériences qui explorent la physique des matériaux. Ils cherchaient ce qu’on appelle des « quasi-particules ». Une quasi-particule est une excitation similaire à une particule qui résulte du comportement collectif des électrons dans les matériaux supraconducteurs. Un matériau supraconducteur conduit l’électricité avec une efficacité de 100 %. Le processus qui donne lieu à ces quasi-particules est similaire à la façon dont l’énergie se transforme en particules « virtuelles » de courte durée et retourne à l’état initial dans le vide de l’espace selon la célèbre équation d’Einstein E=mc2. Même si les quasi-particules ne ressemblent pas aux particules découvertes dans la nature, on pourrait les considérer comme des fermions de Majorana.

Ces 5 dernières années, les scientifiques ont eu un certain succès avec cette approche en estimant qu’ils avaient vu des signatures de fermions de Majorana prometteuses dans des expériences impliquant des nanofils supraconducteurs. Mais ces quasi-particules étaient associées à un endroit particulier plutôt que de se propager dans l’espace et le temps et il était difficile de déterminer si d’autres effets contribuaient aux signaux observés par les chercheurs selon Zhang.

Une preuve expérimentale intéressante du fermion de Majorana

Dans les expériences décrites par l’étude actuelle, l’équipe a empilé des films de 2 matériaux quantiques, à savoir, un supraconducteur et un isolant topologique magnétique en envoyant un courant électrique à l’intérieur d’une chambre à vide refroidie.

Le film supérieur était un supraconducteur. Celui du bas était un isolant topologique, qui conduit uniquement le courant sur sa surface ou ses arêtes, mais pas par son milieu. En les mettant ensemble, les chercheurs ont créé un isolant topologique supraconducteur dont la caractéristique est que les électrons « glissent » le long des 2 bords de la surface du matériau sans aucune résistance comme des voitures sur une autoroute.

Zhang a eu l’idée de déformer l’isolant topologique en y ajoutant une petite quantité de matière magnétique. Ainsi, les électrons ont glissé sur un chemin le long d’un bord de la surface et sur celui du bord opposé. Ensuite, les chercheurs ont fait passer un aimant sur la pile. Cela a ralenti le flux d’électrons pour finir par s’arrêter et changer de direction. Ces changements n’étaient pas lisses, mais de manière brusque comme les marches identiques sur un escalier.

À certains moments dans ce cycle, les quasi-particules de Majorana ont émergé en se produisant par paires hors de la couche supraconductrice et en se déplaçant le long des bords de l’isolant topologique comme les électrons. Un membre de chaque paire a été dévié hors du chemin permettant aux chercheurs de mesurer facilement le flux des quasi-particules individuelles qui ont continué à progresser. Comme les électrons, les particules de Majorana ont ralenti, se sont arrêtées et ont changé de direction, mais avec des étapes d’une hauteur de la moitié que celles prises par les électrons. Ces demi-étapes étaient les signatures des preuves des fermions de Majorana.

Les résultats de ces expériences ne vont pas avoir d’effet sur les efforts visant à déterminer si le neutrino est sa propre antiparticule selon le professeur Giorgio Gratta de Stanford qui a joué un rôle majeur dans la conception et la planification de l’EXO-200. Les quasi-particules qu’ils ont observées sont essentiellement des excitations dans un matériau qui se comporte comme des particules de Majorana selon Gratta. Mais elles ne sont pas des particules élémentaires et elles sont fabriquées de manière très artificielle dans un matériau spécialement préparé. Il est très peu probable qu’elles se produisent dans l’univers, mais qui sait ? Cependant, les neutrinos sont partout et si les neutrons sont des particules de Majorana, alors nous montrerions que la nature a non seulement rendu possible ce type de particules, mais que l’univers en est rempli.

Il a ajouté : malgré les précautions qui s’imposent comme d’habitude, on peut dire que les analogies en physique se sont révélées très puissantes. Et même si ce sont 2 choses différentes avec des processus différents, nous pouvons utiliser l’un pour comprendre l’autre.

La « particule de l’Ange »

Dans un futur lointain selon Zhang, on pourrait utiliser les fermions de Majorana pour construire des ordinateurs quantiques robustes qui ne sont pas perturbés par le bruit environnant. Ce dernier est le plus gros obstacle à l’informatique quantique. Étant donné que chaque Majorana est essentiellement une demi-particule subatomique, un seul qubit d’information pourrait être stocké dans 2 fermions de Majorana séparés par de grandes distances. Cela réduirait considérablement les risques de perturbation et de perte d’informations sur les deux fermions.

Pour l’instant, le chercheur suggère un nom pour ce fermion chiral de Majorana. La particule de l’Ange en référence au thriller « Anges et Démons » publié en 2000. Dans ce roman, une fraternité secrète fait exploser le Vatican avec une bombe faite de matière et d’antimatière. Pour être honnête, on apprécie énormément les contributions de cette équipe pour la preuve expérimentale du fermion de Majorana. Mais on est très sceptique sur l’appellation de la particule de l’Ange. On a déjà eu bien assez d’emmerdes avec les créationnistes sur le Boson de Higgs qui a été surnommé la « particule de Dieu ». Le surnom de lui suffit amplement.

Source : Science (http://science.sciencemag.org/cgi/doi/10.1126/science.aag2792)

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Jacqueline Charpentier

Ayant fait une formation en chimie, il est normal que je me sois retrouvée dans une entreprise d'emballage. Désormais, je publie sur des médias, des blogs et des magazines pour vulgariser l'actualité scientifique et celle de la santé.

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