Des scientifiques de l’Université de Princeton ont utilisé un microscope à effet tunnel pour montrer la structure atomique d’un fil de fer dans un atome large sur une surface de plomb. La partie agrandie de l'image montre la probabilité quantique du contenu dans le fil d'une particule insaisissable appelée fermion de Majorana. Il est important de noter que la photo montre des particules au bout du fil, ce qui correspond exactement aux prévisions des calculs théoriques pour de nombreuses années.
Si vous pensiez que la recherche du boson de Higgs - une particule insaisissable qui donne une masse de matière - était épique, pensez alors aux physiciens qui essayaient de trouver un moyen de découvrir une autre particule subatomique cachée depuis les années 1930, lorsque la première hypothèse est apparue.
Mais maintenant, grâce à l'utilisation de 2 grands microscopes fantastiques, cette particule très étrange et potentiellement révolutionnaire a été découverte.
Imaginez le fermion de Majorana, une particule qui est aussi sa propre antiparticule, un candidat pour la matière noire et un éventuel médiateur de l'informatique quantique.
Fermion Majorana doit son nom au physicien italien Ettore Majorana, qui a formulé une théorie décrivant cette particule unique. En 1937, Majorana avait prédit qu'une particule stable pouvait exister dans la nature, à la fois matière et antimatière. Dans notre expérience quotidienne, il y a aussi de la matière (qui se trouve en abondance dans notre Univers) et de l'antimatière (qui est extrêmement rare). Si la matière et l'antimatière se rencontrent, elles s'annulent et disparaissent dans un éclair d'énergie. L'un des plus grands mystères de la physique moderne est de savoir comment l'Univers est devenu plus de matière que d'antimatière. La logique veut que la matière et l'antimatière fassent partie de la même chose, comme des faces opposées d'une pièce de monnaie, et auraient dû être créées au même rythme. Dans ce cas, l'univers aurait été détruit avant de pouvoir s'établir. Cependant, certains processus postérieurs au Big Bang montrent que plus de matière a été produite que d'antimatière, il est donc important que la matière soit gagnée, qui remplit l'Univers que nous connaissons et aimons aujourd'hui.
Cependant, le fermion de Majorana présente des propriétés différentes et constitue également une antiparticule. Alors que l'électron est de la matière et que le positron est la particule anti-matière de l'électron, le fermion de Majorana est à la fois de la matière et de l'antimatière. C'est cette dualité matérielle / anti-matérielle qui a rendu cette petite bête si difficile à retracer au cours des 8 dernières années. Mais les physiciens ont fait, et pour accomplir la tâche, il a fallu une ingéniosité énorme et un microscope extrêmement grand.
La théorie montre que le fermion de Majorana devrait s’étendre sur le bord d’autres matériaux. Ainsi, une équipe de l’Université de Princeton a créé un fil de fer dans un atome épais à la surface du plomb et a procédé à une augmentation à la fin du fil à l’aide d’un méga-microscope dans le laboratoire des vibrations ultra basses de Yadwin Hall à Princeton.
"C'est le moyen le plus simple de voir le fermion de Majorana, qui devrait être créé à la périphérie de certains matériaux", explique le physicien Ali Yazdani de l'Université de Princeton, dans le New Jersey, dans un communiqué de presse. "Si vous voulez trouver cette particule à l'intérieur du matériau, vous devez utiliser un microscope qui vous permet de voir où elle se trouve vraiment." Les recherches de Yazdani ont été publiées dans la revue Science le jeudi 2 octobre. La recherche du fermoion Majorana est très différente de la recherche d'autres particules subatomiques, qui sont mieux éclairées par la presse large. La recherche du boson de Higgs (et de particules similaires) nécessite les accélérateurs les plus puissants de la planète pour générer l'énorme collision d'énergie nécessaire pour simuler les conditions peu de temps après le Big Bang. C’est le seul moyen d’isoler le boson de Higgs en décomposition rapide et d’étudier ensuite les produits de sa désintégration.
En revanche, le fermion de Majorana ne peut être détecté dans une substance que par son effet sur les atomes et les forces qui l'entourent - aucun accélérateur puissant n'est donc nécessaire, mais l'utilisation de puissants microscopes à effet tunnel est nécessaire. Un réglage très fin du matériau cible est également nécessaire pour que le fermion de Majorana soit isolé et affiché.
Ce contrôle strict nécessite un refroidissement extrême des fils de fer minces pour assurer la supraconductivité. La supraconductivité est obtenue lorsque les fluctuations thermiques d'un matériau sont réduites au point que les électrons peuvent traverser ce matériau avec une résistance nulle. En réduisant la cible à 272 degrés Celsius - à un degré au-dessus du zéro absolu ou de 1 Kelvin - des conditions idéales peuvent être atteintes pour la formation du fermion de Majorana.
"Cela montre que ce signal (Majorana) n'existe que sur le bord", a déclaré Yazdani. «Ceci est une signature clé. Si vous ne l'avez pas, alors ce signal peut exister pour d'autres raisons. ” Des expériences précédentes avaient éliminé les signaux possibles du fermion de Majorana dans des installations similaires, mais c’est la première fois qu’un signal de particule particulier apparaît, après élimination de toutes les sources d’interférence, exactement à l’endroit où il est prédit. "Cela ne peut être réalisé que par une installation expérimentale - simple et sans utilisation de matériaux exotiques qui pourraient interférer", a déclaré Yazdani.
"Ce qui est intéressant, c'est que c'est très simple: c'est du plomb et du fer", a-t-il déclaré.
Il a maintenant été constaté qu'il existe des opportunités intéressantes pour plusieurs domaines de la physique moderne, de l'ingénierie et de l'astrophysique.
Par exemple, le fermion de Majorana interagit faiblement avec la matière ordinaire, tout comme le neutrino fantomatique. Les physiciens ne savent pas si les neutrinos ont une antiparticule distincte ou, comme le fermoion de Majorana, est sa propre antiparticule. Les neutrinos abondent dans l'univers et les astronomes soulignent souvent que les neutrinos constituent une grande partie de la matière noire censée remplir le Cosmos. Les neutrinos sont probablement les mêmes que les particules de Majorana et de Fermions, mais ils sont également candidats à la matière noire.
Il existe également une application industrielle potentiellement révolutionnaire si les physiciens peuvent coder de la matière avec des fermions de Majorana. Actuellement, les électrons sont utilisés en informatique quantique, créant potentiellement des ordinateurs capables de résoudre des systèmes auparavant innombrables en un instant. Mais les électrons sont notoirement difficiles à contrôler et violent souvent les calculs après avoir interagi avec d'autres matériaux les entourant. Cependant, le fermion de Majorana, qui interagit extrêmement faiblement avec le matériau, est étonnamment stable en raison de sa dualité matériau / anti-matériau. Pour ces raisons, les scientifiques peuvent utiliser cette particule, l'appliquer techniquement dans des matériaux, coder et, éventuellement, découvrir de plus en plus de nouvelles méthodes d'informatique quantique.
Ainsi, bien que sa découverte ne crée pas de drame et que des particules relativistes ne soient réunies dans les chambres à vide des détecteurs du LHC, la découverte plus subtile du Majorana peut développer une nouvelle approche de la matière noire et révolutionner l’informatique.
Et peut-être que l'attente de 80 ans pour son ouverture en valait la peine, après tout.
