Le fermion de Majorana – une mystérieuse particule qui est sa propre antiparticule – a été observé pour la première fois.
Une conception d’artiste d’un fermion de Majorana flottant à la surface de la mer de Fermi. Crédit photo : Alexey Drjahlov / CC-BY-SA.
Prédit pour la première fois par Ettore Majorana, un brillant physicien théorique italien qui a eu une brève carrière dans les années 1920-30 mais a disparu mystérieusement à l’âge de 32 ans, le fermion de Majorana est une particule énigmatique qui pourrait exister à la frontière de la matière et de l’antimatière.
Curieusement, on pense qu’il est à la fois une particule matérielle et sa propre antiparticule correspondante.
Lorsque la matière et l’antimatière entrent en collision, elles disparaissent généralement dans une explosion d’énergie – ce qui n’est pas le cas du fermion de Majorana, considéré comme stable et robuste.
En vertu de ces attributs, la particule pourrait contribuer à résoudre d’autres mystères, voire même à redéfinir la nature de l’Univers.
Certains scientifiques suggèrent que les fermions de Majorana constituent la mystérieuse “matière noire” qui formerait plus de 70% de l’Univers.
Malgré un grand intérêt scientifique, peu de progrès ont été réalisés dans la recherche de cette particule jusqu’en 2001, lorsque le professeur Alexei Kitaev de l’Université de Californie a prédit qu’un fermion de Majorana apparaîtrait à chaque extrémité d’un fil supraconducteur.
En 2012, des physiciens néerlandais ont rapporté des preuves du signal électrique caractéristique d’un Majorana neutre dans des nanofils d’antimoniure d’indium contactés avec une électrode normale (or) et une électrode supraconductrice (nitrure de niobium et de titane). Certains chercheurs ont toutefois affirmé que d’autres phénomènes pouvaient produire le même signal.
En 2013, les professeurs Ali Yazdani et Andrei Bernevig, tous deux de l’Université de Princeton, se sont associés pour tenter de trouver une observation plus définitive des fermions de Majorana en en capturant une image.
L’expérience de l’Université de Princeton a révélé la structure atomique du fil de fer sur une surface de plomb ; la partie agrandie montre la probabilité que le fil contienne le fermion de Majorana. Crédit image : Ali Yazdani Lab.
Ils ont proposé une nouvelle approche de la manière dont la particule de Majorana pourrait apparaître dans des matériaux combinant magnétisme et supraconductivité, et qu’une telle particule pourrait être directement observée à l’aide d’un dispositif appelé microscope à tunnel à balayage.
“C’est le moyen le plus direct de rechercher le fermion de Majorana, car on s’attend à ce qu’il émerge au bord de certains matériaux. Si vous voulez trouver cette particule à l’intérieur d’un matériau, vous devez utiliser un tel microscope, qui vous permet de voir où elle se trouve réellement”, a expliqué le professeur Yazdani, qui est l’auteur principal d’un article publié dans la revue .Science.
La configuration créée par le professeur Yazdani et ses collègues commence par un cristal de plomb ultrapur, dont les atomes s’alignent naturellement en rangées alternées qui laissent des crêtes atomiquement fines à la surface du cristal.
Ils ont ensuite déposé du fer pur dans l’une de ces crêtes pour créer un fil d’un atome de large et d’environ trois atomes d’épaisseur.
Les scientifiques ont ensuite placé le plomb et le fil de fer encastré sous le microscope à tunnel à balayage et ont refroidi le système à moins 272 degrés Celsius, soit juste un degré au-dessus du zéro absolu.
Après des mois de travail minutieux, ils ont confirmé que la supraconductivité dans le fil de fer correspondait aux conditions requises pour que le fermion de Majorana soit créé dans leur matériau.
Finalement, le microscope a également été capable de détecter un signal électriquement neutre aux extrémités des fils, similaire à celui observé dans l’expérience néerlandaise.
Cependant, la configuration a également permis à l’équipe de visualiser directement la façon dont le signal change le long du fil, en cartographiant essentiellement la probabilité quantique de trouver le fermion de Majorana le long du fil et en indiquant qu’il apparaît aux extrémités du fil.
“Cela montre que ce signal ne vit que sur le bord. C’est la signature clé”, a conclu le professeur Yazdani.
