Les particules de Majorana, nommées d’après le physicien italien Ettore Majorana, sont des entités fascinantes dans le domaine de la physique des particules. Elles sont uniques car elles possèdent la propriété remarquable d’être leurs propres antiparticules. Ces particules insaisissables ont le potentiel de révolutionner l’informatique quantique et de contribuer à la compréhension de la physique fondamentale, offrant des possibilités passionnantes pour l’avenir de la recherche scientifique.
En mars 2022, Microsoft a annoncé des résultats de recherche concernant la manifestation d’une particule unique qui pourrait potentiellement être utilisée pour fabriquer des bits quantiques particulièrement durables. Toutefois, les chercheurs de l’université de Bâle remettent actuellement en question ces conclusions concernant les particules dites de Majorana. Ils ont effectué des calculs qui indiquent que les résultats peuvent être expliqués différemment.
En 1938, un esprit brillant a mystérieusement disparu : après avoir pris un billet de ferry de Palerme à Naples, le jeune physicien italien Ettore Majorana a semblé disparaître de la surface de la planète. Quelques mois auparavant, il avait proposé un type particulier de particules. Ces particules étaient censées être leurs propres antiparticules et ne pas porter de charge électrique.
Depuis quelques années, les physiciens s’intéressent de nouveau à ces mystérieuses particules, qui portent le nom de leur inventeur disparu (dont la disparition n’a toujours pas été expliquée à ce jour). Il s’avère que ces particules pourraient être utilisées comme bits quantiques particulièrement robustes dans les ordinateurs quantiques.
Le désordre dans les nanofils très fins peut conduire à des résultats de mesure qui pourraient être interprétés à tort comme des preuves de l’existence de particules de Majorana. Crédit : Université de Bâle, département de physique
Le principal obstacle à la construction de ces ordinateurs, qui promettent une puissance de calcul incroyable, est la décohérence, c’est-à-dire le fait que les perturbations de l’environnement peuvent très rapidement détruire les états quantiques sensibles avec lesquels les ordinateurs quantiques effectuent leurs calculs. Toutefois, si l’on pouvait utiliser des particules de Majorana comme bits quantiques, ce problème pourrait être résolu instantanément, car ces particules possèdent une immunité intégrée contre la décohérence en raison de leurs propriétés particulières.
Sommaire
Des espoirs déçus
Dans une étude publiée dans la revue scientifique Physical Review Letters, des chercheurs de l’université de Bâle ont tempéré les espoirs d’utiliser des particules de Majorana pour l’informatique dans un avenir proche. L’équipe dirigée par le professeur Jelena Klinovaja a montré que les résultats publiés par Microsoft en 2022, selon lesquels des particules de Majorana avaient été détectées dans les laboratoires de l’entreprise, pourraient ne pas tenir la route.
« La voie empruntée par Microsoft avec ses expériences est certainement la bonne », déclare Richard David Hess, doctorant et premier auteur de l’étude, « mais nos calculs suggèrent que les données mesurées peuvent également être expliquées par d’autres effets qui n’ont rien à voir avec les particules de Majorana ».
La recherche de particules exotiques est un travail de détective de premier ordre, et les enquêteurs doivent se fier à quelques indices seulement. Ils recherchent ces indices en utilisant un nanofil composé d’un matériau semi-conducteur, mille fois plus fin qu’un cheveu humain, couplé à un supraconducteur. Dans un tel système, les électrons et les trous du semi-conducteur pourraient s’apparier pour former des quasiparticules se comportant comme des particules de Majorana.
Anomalies caractéristiques
Grâce à des mesures de conductance, les experts de Microsoft ont détecté une anomalie caractéristique de ces états de Majorana et ont également montré que les propriétés supraconductrices de la combinaison supraconducteur-fil métallique réagissent à un champ magnétique appliqué d’une manière qui suggère la présence d’une phase dite topologique.
En mathématiques, la topologie peut être illustrée en regardant, par exemple, une tasse à café avec une anse (un « trou ») qui peut théoriquement être déformée en un beignet (qui a également un « trou », les deux sont donc topologiquement égaux) mais pas en une sphère (pas de « trou »). Dans les états de Majorana, en revanche, la topologie est responsable de leur immunité tant convoitée à la décohérence.
Nous avons maintenant modélisé mathématiquement les expériences de Microsoft et essayé de déterminer si les mesures pouvaient avoir d’autres explications – « triviales », dans le jargon scientifique », explique Henry Legg, postdoc dans le groupe de Klinovaja. En fait, les chercheurs bâlois sont parvenus à la conclusion que l’anomalie de courant et les propriétés supraconductrices peuvent être reproduites par une petite quantité de désordre provenant d’impuretés à l’intérieur du nanofil.
« Nos résultats montrent clairement que le désordre joue un rôle important dans de telles expériences », déclare Jelena Klinovaja. Pour détecter sans ambiguïté les états de Majorana et les utiliser dans des ordinateurs quantiques, il faudra à terme des nanofils encore plus purs. Cela signifie également que les défis expérimentaux ne manqueront pas au cours des prochaines années.
Référence : « Trivial Andreev Band Mimicking Topological Bulk Gap Reopening in the Nonlocal Conductance of Long Rashba Nanowires » par Richard Hess, Henry F. Legg, Daniel Loss et Jelena Klinovaja, 15 mai 2023, Physical Review Letters.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.207001