La découverte du boson de Majorana démontre que les photons peuvent être « divisés » en deux. Crédit : Animation par LaDarius Dennison
Près d’un siècle après que le physicien italien Ettore Majorana a jeté les bases de la découverte que les électrons pourraient être divisés en deux, les chercheurs prédisent que des photons divisés peuvent également exister, selon une étude de Dartmouth et de chercheurs du SUNY Polytechnic Institute.
La découverte que les éléments constitutifs de la lumière peuvent exister sous une forme divisée auparavant inimaginable fait progresser la compréhension fondamentale de la lumière et de son comportement.
La découverte théorique du photon divisé – connu sous le nom de « boson Majorana » – a été publiée dans Lettres d’examen physique.
“Il s’agit d’un changement de paradigme majeur dans la façon dont nous comprenons la lumière d’une manière que l’on ne croyait pas possible”, a déclaré Lorenza Viola, professeure de physique de la famille James Frank à Dartmouth et chercheuse principale de l’étude. “Non seulement nous avons trouvé une nouvelle entité physique, mais c’en était une que personne ne croyait pouvoir exister.”
Semblable à la façon dont l’eau liquide peut se transformer en glace ou en vapeur dans des conditions spécifiques, la recherche indique que la lumière peut également exister dans une phase différente – une phase où les photons apparaissent comme deux moitiés distinctes.
« L’eau est de l’eau quelle que soit sa forme liquide ou solide. Il se comporte simplement différemment selon les conditions physiques », a déclaré Viola. “C’est ainsi que nous devons aborder notre compréhension de la lumière – comme la matière, elle peut exister en différentes phases.”
Plutôt que des pièces pouvant être séparées physiquement, les moitiés de photons servent de la même manière aux différentes faces d’une pièce de monnaie. Les deux parties distinctes forment un tout, mais elles peuvent être décrites et fonctionner comme des unités distinctes.
“Chaque photon peut être considéré comme la somme de deux moitiés distinctes”, a déclaré Vincent Flynn, doctorant à Dartmouth et premier auteur de l’article. « Nous avons pu identifier les conditions pour isoler ces moitiés les unes des autres. »
La recherche est basée sur les principes fondamentaux de la physique.
Les particules sont de deux types différents : les fermions et les bosons. Les fermions, comme les électrons, ont tendance à être solitaires, s’évitant à tout prix. Les bosons, comme les photons, ont tendance à se regrouper. Ainsi, il était naturel pour les chercheurs de supposer que la division des bosons serait une tâche insurmontable.
La théorie de Dartmouth repose sur des cavités de dissipation et de fuite d’énergie qui sont couplées ensemble et remplies de paquets quantiques de lumière. La recherche prédit que des moitiés de particules apparaissent sur les bords d’une telle plate-forme synthétique : le boson de Majorana a été découvert.
“Notre découverte fournit le premier indice qu’une phase topologique de lumière et de matière auparavant inconnue qui héberge les bosons de Majorana peut exister”, a déclaré Flynn.
La découverte théorique s’appuie sur la prédiction en 1937 de l’existence de particules neutres semblables à des électrons connues sous le nom de fermions de Majorana. En 2001, des chercheurs ont suggéré un processus spécifique permettant de réduire de moitié les électrons dans certains supraconducteurs. Mais le photon était resté indivisible jusqu’à présent.
Selon l’équipe de recherche, les bosons de Majorana peuvent être considérés comme des parents éloignés des fermions de Majorana.
“Les fermions et les bosons sont aussi différents que deux choses peuvent l’être en physique”, a déclaré Emilio Cobanera, professeur adjoint de physique à l’Institut polytechnique SUNY et co-auteur de l’étude. « En effet, les particules sont des images déformées les unes des autres. L’existence des fermions de Majorana était notre principal indice que le boson de Majorana se cachait quelque part dans le miroir du funhouse.
La confirmation du boson de Majorana nécessiterait encore une expérience en laboratoire qui observe les moitiés de photons. Contrairement aux structures massives construites pour détecter le célèbre boson de Higgs, une expérience pour détecter les moitiés de photons pourrait être réalisée sur une table. Une telle expérience pourrait utiliser des technologies existantes ou à court terme.
L’équipe a découvert que les bosons de Majorana sont robustes contre les imperfections expérimentales et identifiables par des signatures distinctes. Bien qu’il soit difficile de prédire comment les résultats peuvent être appliqués, ces caractéristiques pourraient soutenir le développement de nouveaux types de processeurs d’informations quantiques, de capteurs optiques et d’amplificateurs de lumière. La recherche ouvre également la voie à la découverte d’une nouvelle phase exotique de matière et de lumière.
“Pour faire cette découverte, nous avons dû remettre en question des croyances de longue date et vraiment sortir des sentiers battus”, a déclaré Viola. “Nous avons divisé quelque chose que l’on pensait auparavant indissociable, et nous ne regarderons jamais la lumière de la même manière.”
Référence : « Topology by Dissipation : Majorana Bosons in Metastable Quadratic Markovian Dynamics » par Vincent P. Flynn, Emilio Cobanera et Lorenza Viola, 10 décembre 2021, Lettres d’examen physique.
DOI : 10.1103/PhysRevLett.127.245701
