Les physiciens théoriques du Dartmouth College à Hanover, New Hampshire, sont sur la piste d’une particule subatomique exotique, dont l’existence a été prédite pour la première fois il y a 75 ans.
Un diagramme schématique montre les particules de Majorana telles qu’elles pourraient s’aligner dans deux champs magnétiques opposés, en rouge, qui interagissent avec un isolant topologique supraconducteur, en bleu (Neupert et al / The American Physical Society).
Avec les gros titres proclamant la découverte d’une particule compatible avec le boson de Higgs, la physique des particules a captivé l’imagination du monde entier. Mais ce n’est là qu’une des énigmes apparemment résolues en physique. L’équipe de physiciens de Dartmouth se penche sur une autre particule énigmatique, prédite en 1937 par le brillant physicien italien Ettore Majorana.
Majorana est une particule mystérieuse qui pourrait exister à la frontière de la matière et de l’antimatière. Curieusement, on pense qu’elle est à la fois une particule matérielle et sa propre antiparticule correspondante. La matière et l’antimatière sont depuis longtemps une cause célèbre dans les milieux scientifiques et de la science-fiction. Lorsque la matière et l’antimatière entrent en collision, elles disparaissent généralement dans une explosion d’énergie, ce qui n’est pas le cas des Majoranas, considérés comme stables et robustes.
En vertu de ces attributs, les mystérieux Majoranas pourraient contribuer à résoudre d’autres mystères, voire à redéfinir la nature de l’Univers. Certains astrophysiciens suggèrent que les particules de Majorana constituent l’insaisissable “matière noire” qui formerait plus de 70 % de l’Univers connu.
Malgré des recherches intensives, aucune particule élémentaire n’a été trouvée jusqu’à présent qui soit une particule de Majorana. Cependant, au cours des dernières années, les physiciens de la matière condensée ont réalisé que les Majorana pourraient se former collectivement comme quasi-particules, construites à partir d’électrons ordinaires dans la matière, dans des conditions physiques appropriées.
Grâce à leur robustesse réputée, on pense que ces quasi-particules de Majorana peuvent servir de blocs de construction pour les ordinateurs quantiques. Bien que théoriques pour l’instant, les ordinateurs quantiques pourraient être plusieurs fois plus puissants que nos dispositifs numériques actuels. Tels qu’ils sont envisagés, ils auraient d’immenses capacités de stockage d’informations et la possibilité de résoudre d’importants problèmes de calcul avec une efficacité sans précédent.
“Le défi auquel nous sommes confrontés est que nous travaillons avec le microscopique, et non pas avec quelque chose comme les étoiles et les galaxies que vous pouvez voir et avec lequel vous pouvez établir un lien”, a expliqué Lorenza Viola, professeur de physique au Dartmouth College, qui a cosigné un article récent publié dans Physical Review Letters (version arXiv.org).
“Je dis à mes étudiants que nous sommes si grands, que c’est tellement microscopique, et que nous n’avons tout simplement pas assez d’imagination pour visualiser les choses à ce niveau. Mais si nous pouvions être aussi petits qu’un électron, nous pourrions comprendre beaucoup mieux le monde quantique.”
Dans leur article, le professeur Viola et ses collègues suggèrent un endroit où l’on pourrait trouver des Majoranas. Ils proposent un modèle théorique pour soutenir les quasi-particules de Majorana formant une classe de matériaux exotiques connus sous le nom de supraconducteurs topologiques.
L’équipe décrit les supraconducteurs topologiques comme ayant une “double personnalité”. Leurs surfaces extérieures conduisent l’électricité comme un métal, mais à l’intérieur, ils sont supraconducteurs. Les scientifiques émettent l’hypothèse que les Majoranas ne devraient apparaître qu’à la surface ou à l’interface intérieur-extérieur.
Contrairement aux propositions existantes, celle du professeur Viola et de ses collègues ne requiert qu’une supraconductivité conventionnelle dans la masse du matériau et aucune application de champs magnétiques puissants, préservant ainsi l’importante symétrie fondamentale de “l’inversion du temps”.
La chasse aux Majoranas est actuellement en cours dans les laboratoires du monde entier. Lors d’une expérience récente menée par des chercheurs néerlandais, un nanofil semi-conducteur recouvert d’un film supraconducteur a été refroidi dans un champ magnétique puissant et s’est avéré contenir des Majoranas, comme le signale un pic de conductance à énergie nulle. Au fur et à mesure que des preuves expérimentales supplémentaires sont collectées et examinées, le professeur Viola pense que les supraconducteurs topologiques à onde s fourniront une autre riche arène dans laquelle explorer la physique de Majorana et découvrir de nouvelles propriétés fondamentales de la matière quantique topologique.
