Une équipe internationale de physiciens a utilisé des outils de microscopie à haute résolution pour observer le fonctionnement interne du ditelluride d’uranium (UTe), un supraconducteur à fermions lourds récemment découvert.2). Les mesures révèlent des preuves solides que ce matériau pourrait être le foyer naturel d’une quasi-particule de Majorana exotique qui se cache des physiciens depuis des décennies.
Quasi-particules de Majorana à la surface du ditelluride d’uranium. Crédit image : E. Edwards, Illinois Quantum Information Science and Technology Center.
Les quasi-particules de Majorana ont été théorisées en 1937 par un physicien italien nommé Ettore Majorana, et depuis lors, les physiciens ont essayé de prouver qu’elles peuvent exister.
Ils pensent qu’une classe particulière de matériaux appelés supraconducteurs non conventionnels chiraux peut naturellement accueillir des Majoranes.
Le ditelluride d’uranium pourrait avoir toutes les propriétés nécessaires pour engendrer ces quasi-particules insaisissables.
“Nous connaissons la physique des supraconducteurs classiques et comprenons comment ils peuvent conduire l’électricité ou transporter des électrons d’une extrémité d’un fil à l’autre sans résistance”, a déclaré l’auteur principal, le Dr Vidya Madhavan, chercheur au département de physique et au laboratoire de recherche sur les matériaux de l’université de l’Illinois Urbana-Champaign.
“Les supraconducteurs non conventionnels chiraux sont beaucoup plus rares, et leur physique est moins bien connue. Leur compréhension est importante pour la physique fondamentale et a des applications potentielles en informatique quantique.”
À l’intérieur d’un supraconducteur normal, les électrons s’apparient d’une manière qui permet de produire des courants persistants et sans perte. Cela contraste avec un conducteur normal, comme un fil de cuivre, qui s’échauffe lorsque le courant le traverse.
Pour ce type conventionnel de supraconductivité, les champs magnétiques sont les ennemis et brisent les paires, ramenant le matériau à la normale. Au cours de l’année dernière, les chercheurs ont montré que le ditelluride d’uranium se comporte différemment.
En 2019, les physiciens Sheng Ran et Nicholas Butch du Centre de recherche sur les neutrons du NIST et leurs collaborateurs ont annoncé que le ditelluride d’uranium reste supraconducteur en présence de champs magnétiques allant jusqu’à 65 Tesla, ce qui est environ 10 000 fois plus fort qu’un aimant de réfrigérateur.
Ce comportement non conventionnel, combiné à d’autres mesures, a conduit les auteurs à supposer que les électrons s’associaient d’une manière inhabituelle qui leur permettait de résister aux ruptures.
L’appariement est important car les supraconducteurs ayant cette propriété pourraient très probablement avoir des particules de Majorana à leur surface. La nouvelle étude renforce les arguments en ce sens.
L’équipe du Dr Madhavan a utilisé un microscope à haute résolution appelé microscope à effet tunnel pour rechercher des preuves de l’appariement inhabituel des électrons et des particules de Majorana.
Ce microscope peut non seulement cartographier la surface du ditelluride d’uranium jusqu’au niveau des atomes mais aussi sonder ce qui se passe avec les électrons.
Le matériau lui-même est argenté avec des marches qui s’élèvent de la surface. C’est dans ces marches que l’on peut le mieux observer les quasi-particules de Majorana.
Ils fournissent un bord propre qui, si les prédictions sont correctes, devrait montrer les signatures d’un courant continu qui se déplace dans une direction, même sans l’application d’une tension.
L’équipe a scanné les côtés opposés de la marche et a vu un signal avec un pic. Mais le pic était différent, selon le côté de la marche qui était scanné.
“En regardant les deux côtés de la marche, vous voyez un signal qui est une image miroir de l’autre. Dans un supraconducteur normal, vous ne pouvez pas trouver cela”, a déclaré le Dr Madhavan.
“La meilleure explication pour voir les images miroir est que nous mesurons directement la présence de particules de Majorana en mouvement.”
Les mesures indiquent que les quasi-particules de Majorana en mouvement libre circulent ensemble dans une direction, donnant lieu à des signaux miroirs, ou chiraux.
“La prochaine étape consiste à effectuer des mesures qui confirmeraient que le matériau a brisé la symétrie temporelle inverse”, a déclaré le Dr Madhavan.
“Cela signifie que les particules devraient se déplacer différemment si la flèche du temps était théoriquement inversée. Une telle étude fournirait une preuve supplémentaire de la nature chirale du ditelluride d’uranium.”
“Si cela est confirmé, le ditelluride d’uranium serait le seul matériau, autre que l’He-3 superfluide, dont il est prouvé qu’il est un supraconducteur chiral non conventionnel.”
“C’est une découverte énormequi nous permettra de comprendre ce type rare de supraconductivité, et peut-être, à terme, pourrons-nous même manipuler les quasi-particules de Majorana d’une manière utile pour la science de l’information quantique.”
Les résultats ont été publiés dans la revue Nature.
