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Un merveilleux voyage en physique quantique : comment les modes zéro de Majorana apparaissent-ils dans les supraconducteurs ?
Les fermions de Majorana, dérivés d'une théorie proposée par le physicien italien Ettore Majorana en 1937, sont un type de fermion qui est sa propre antiparticule. En revanche, les fermions de Dirac ordinaires ne sont pas leurs propres antiparticules. Les fermions de Majorana sont des particules particulièrement particulières dans le modèle standard. À l'exception des neutrinos, toutes les autres particules peuvent être considérées comme des fermions de Dirac. Quant à la nature des neutrinos, elle n'a pas encore été déterminée. Il peut s'agir de fermions de Majorana ou de fermions de Dirac.
Le concept de fermions de Majorana a également son extension en physique de la matière condensée, résultant du mouvement collectif d'états étroitement liés, souvent appelés modes zéro de Majorana.
Dans les supraconducteurs, l’émergence des modes zéro de Majorana est due à la symétrie électron-trou unique des supraconducteurs. Cela permet aux quasiparticules des matériaux supraconducteurs d'agir comme des fermions de Majorana, offrant ainsi une plate-forme expérimentale pour explorer ce phénomène. L’existence de ces modes zéro n’est pas seulement une merveilleuse idée théorique, mais peut également jouer un rôle important dans l’avenir de l’informatique quantique.
La théorie fondamentale de MajoranaLe concept de Majorana est né de l'existence de particules de spin 1/2 électriquement neutres qui peuvent être décrites par une équation d'onde à valeur vraie. La révélation des équations de Majorana a permis de considérer ces particules essentiellement comme leurs propres antiparticules, établies par la relation conjuguée complexe. Contrairement aux fermions de Dirac, les opérateurs de création et d'annihilation des fermions de Majorana sont les mêmes, une propriété qui apporte de nouvelles perspectives pour comprendre leur comportement.
Les modes zéro de Majorana sont caractérisés par leurs propriétés statistiques non abéliennes, ce qui permet d'effectuer des opérations logiques sur ces modes en informatique quantique.
Par exemple, dans certains matériaux supraconducteurs, les modes zéro de Majorana peuvent être piégés au niveau des interfaces ou des défauts, formant ce que l'on appelle des états liés de Majorana. Le comportement statistique de ces états liés est très différent de celui des fermions ordinaires, ce qui offre de nouvelles opportunités pour explorer expérimentalement les possibilités de l'informatique quantique.
Progrès expérimentaux
Alors que la communauté scientifique continue d’approfondir ses recherches sur les modes zéro de Majorana, de plus en plus de résultats expérimentaux apportent un soutien solide. En 2008, une étude majeure a prédit que des états liés de Majorana pourraient apparaître à l'interface entre les isolants topologiques et les supraconducteurs. Par la suite, de plus en plus d'expériences ont trouvé des signes de modes zéro de Majorana, y compris une expérience à l'Université de technologie de Delft aux Pays-Bas en 2012, qui a observé une liaison de Majorana aux deux extrémités dans certaines conditions. Le pic de conductivité provoqué par l'état.
Les scientifiques ont utilisé la technologie de microscopie à effet tunnel à basse température pour observer les signaux caractéristiques des états liés de Majorana, ce qui a jeté les bases de l'informatique quantique future.
Cependant, à mesure que les expériences progressaient, les chercheurs ont également souligné que certains états pseudo-Majorana pourraient imiter des phénomènes, de sorte que des tests et des confirmations continus sont essentiels. Par exemple, des recherches menées à l’Académie chinoise des sciences en 2018 ont observé les premiers signes de particules de Majorana dans la matière pure, mais des études ultérieures ont montré que d’autres états électroniques peuvent présenter des caractéristiques quantifiées similaires.
Application de Majorana à l'informatique quantique
Les états liés de Majorana ont des applications potentielles, notamment dans la correction des erreurs quantiques. En créant ce que l’on appelle des « défauts de torsion », ces modes de Majorana non appariés sont capables de stocker et de traiter des informations quantiques. Cette technologie est proche du fonctionnement en chaîne de l’informatique quantique et peut supprimer efficacement les erreurs dans le processus de calcul quantique.
Ce qui est le plus frappant, c'est que l'existence de Majorana non seulement brise le cadre de la physique traditionnelle, mais constitue également l'espoir futur de l'informatique de pointe. Des recherches plus poussées pourraient révéler ses routines physiques plus profondes et son potentiel d’application.
La découverte et l’application des modes zéro de Majorana redéfinissent notre compréhension de la physique des particules et de la physique de la matière condensée. Grâce aux avancées technologiques expérimentales et à l’approfondissement de la recherche théorique, nous pourrons peut-être percer davantage les mystères du monde quantique. Derrière tout cela, cela implique-t-il qu’il existe des lois physiques plus profondes qui attendent que nous les explorions ?
