Des particules topologiques dans la matière condensée
Les isolants topologiques sont une nouvelle catégorie de matériaux qui sortent de l'ordinaire. Par exemple, ils sont isolants dans la masse, mais conducteurs en surface. En outre, à proximité d'un supraconducteur, ces matériaux montrent des excitations répondant à des statistiques non commutatives. Il s'agit des fermions de Majorana, qui peuvent être utiles pour l'informatique quantique. Les chercheurs du projet TOPOSPIN (Scanning tunneling spectroscopy of topological interfaces for future spintronics) ont étudié divers isolants topologiques. Le but était de trouver des systèmes de matière condensée où il serait possible d'observer (au microscope à balayage à effet tunnel) des fermions de Majorana à leur limite matérielle. Les fermions de Majorana sont des particules qui se comportent comme leur propre antiparticule. Ils doivent donc être électriquement neutres et avoir un moment dipolaire nul, ce qui minimise les interactions avec leur environnement. Cette «indifférence» envers les alentours a incité les chercheurs de TOPOSPIN à trouver comment générer des fermions de Majorana à l'extrémité d'une chaîne d'atomes, là où la théorie les prévoit. Les chercheurs de TOPOSPIN ont étudié les conditions dans lesquelles une chaîne d'atomes magnétiques, déposés à la surface d'un supraconducteur, peut présenter des fermions de Majorana. L'un des résultats surprenants de leurs travaux théoriques a été que même une courte chaîne de quelques dizaines d'atomes peut se comporter comme un fermion de Majorana, pour une certaine plage d'énergie. Mieux encore, les chercheurs ont fabriqué une telle chaîne d'atomes de fer, déposée sur un cristal de plomb extrêmement pur. Ils ont refroidi l'ensemble à -272 degrés Celsius, et confirmé que la supraconductivité dans la chaîne d'atomes répondait aux conditions voulues pour héberger un fermion de Majorana à son extrémité. Grâce à la microscopie à balayage à effet tunnel, les chercheurs ont aussi pu étudier des états topologiques de la matière aux bords de bicouches de bismuth. Ils ont décrit la structure unidimensionnelle des électrons se propageant le long du périmètre du système. Ces systèmes topologiques à petit nombre de dimensions devraient être critiques dans la concrétisation des fermions de Majorana. Les résultats de TOPOSPIN ouvrent de nouvelles possibilités dans la recherche sur le comportement des isolants topologiques. Outre ses implications dans la physique de la matière condensée, le projet a contribué à établir une collaboration fructueuse entre des instituts de recherche en Europe et aux États-Unis, qui devrait se poursuivre.
Mots‑clés
Matière condensée, isolants topologiques, informatique quantique, fermions de Majorana, balayage à effet tunnel
