Les fermions de Majorana promettent une technologie de l’information sans résistance

L’insaisissable fermion de Majorana, ou “particule d’ange” proposée par Ettore Majorana en 1937, se comporte simultanément comme une particule et une antiparticule – et reste étonnamment stable plutôt que d’être autodestructeur.

Les fermions de Majorana promettent une technologie de l’information et des communications sans résistance, répondant à la consommation énergétique croissante de l’électronique moderne (déjà 8 % de la consommation mondiale d’électricité) et promettant un avenir durable pour l’informatique.

De plus, c’est la présence de modes à énergie nulle de Majorana dans les supraconducteurs topologiques qui a fait de ces matériaux quantiques exotiques les principaux matériaux candidats pour réaliser l’informatique quantique topologique.

L’existence de fermions de Majorana dans les systèmes à matière condensée aidera FLEET à rechercher de futures technologies électroniques à faible consommation d’énergie.

La particule d’ange : à la fois matière et antimatière

Les particules fondamentales telles que les électrons, les protons, les neutrons, les quarks et les neutrinos (appelés fermions) ont chacune leurs antiparticules distinctes. Une antiparticule a la même masse que son partenaire ordinaire, mais une charge électrique et un moment magnétique opposés.

Les fermions et anti-fermions conventionnels constituent la matière et l’antimatière et s’annihilent lorsqu’ils sont combinés.

“Le fermion de Majorana est la seule exception à cette règle, une particule composite qui est sa propre antiparticule”, explique l’auteur correspondant, le professeur Xiaolin Wang (UOW).

Cependant, malgré la recherche intensive de particules de Majorana, l’indice de son existence est insaisissable depuis de nombreuses décennies, car les deux propriétés contradictoires (c’est-à-dire sa charge positive et négative) la rendent neutre et ses interactions avec l’environnement sont très faibles.

Supraconducteurs topologiques : terrain fertile pour la particule d’ange

Bien que l’existence de la particule de Majorana n’ait pas encore été découverte, malgré des recherches approfondies dans des installations de physique des hautes énergies telles que le CERN, elle peut exister en tant qu’excitation à une seule particule dans des systèmes à matière condensée où la topologie de bande et la supraconductivité coexistent.

“Au cours des deux dernières décennies, les particules de Majorana ont été signalées dans de nombreuses hétérostructures supraconductrices et ont été démontrées avec un fort potentiel dans les applications d’informatique quantique”, selon le Dr Muhammad Nadeem, postdoc FLEET à l’UOW.

Il y a quelques années, un nouveau type de matériau appelé supraconducteurs topologiques à base de fer a été signalé hébergeant des particules de Majorana sans fabrication d’hétérostructures, ce qui est important pour une application dans des dispositifs réels.

“Notre article passe en revue les réalisations expérimentales les plus récentes dans ces matériaux : comment obtenir des matériaux supraconducteurs topologiques, l’observation expérimentale de l’état topologique et la détection des modes zéro de Majorana”, explique Lina Sang, candidate au doctorat à l’UOW.

Dans ces systèmes, les quasi-particules peuvent imiter un type particulier de fermion de Majorana, tel que le fermion de Majorana «chiral», celui qui se déplace le long d’un chemin unidimensionnel et le «mode zéro» de Majorana, celui qui reste limité dans un espace à zéro dimension.

Applications du mode zéro Majorana

Si de tels systèmes de matière condensée, hébergeant des fermions de Majorana, sont expérimentalement accessibles et peuvent être caractérisés par une technique simple, cela aiderait les chercheurs à orienter l’ingénierie de technologies à basse énergie dont les fonctionnalités sont rendues possibles par l’exploitation des caractéristiques physiques uniques des fermions de Majorana, telles que comme l’informatique quantique topologique tolérante aux pannes et l’électronique à ultra-basse énergie.

L’hébergement des fermions de Majorana dans les états topologiques de la matière, des isolants topologiques et des semi-métaux de Weyl sera couvert lors de la grande conférence internationale de ce mois-ci sur la physique des semi-conducteurs (ICPS), qui se tiendra à Sydney en Australie.

La feuille de route des matériaux quantiques de l’IOP 2021 étudie le rôle des matériaux quantiques basés sur le couplage spin-orbite intrinsèque (SOC) pour les dispositifs topologiques basés sur les modes de Majorana, en présentant des preuves à la frontière entre les matériaux SOC forts et les supraconducteurs, ainsi que dans un système à base de fer. supraconducteur.

Le travail est soutenu par les centres d’excellence du Conseil australien de la recherche, les programmes Future Fellowship et Discovery, et la recherche combinée à travers l’Université FLEET de Wollongong, l’Université RMIT et l’UNSW, les nœuds de Sydney, ainsi que l’organisation partenaire de l’Université Tsinghua (Chine).