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Fermions de Majorana trouvés dans le ditellurure d'uranium

04.04.2020

Des physiciens de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign ont utilisé des techniques microscopiques à haute résolution pour voir la structure interne d'un nouveau supraconducteur, le ditellurure d'uranium UTe2. Les mesures ont montré la présence dans ce matériau d'une quasi-particule exotique - le fermion de Majorana.

De tels fermions ont été théoriquement prédits dès 1937 par le physicien italien Ettore Majorana, et depuis lors, les physiciens tentent de prouver expérimentalement leur existence. Les scientifiques pensent qu'une classe spéciale de matériaux appelés supraconducteurs non conventionnels chiraux pourrait contenir de telles particules. L'un de ces matériaux prometteurs est le tellurure d'uranium.

À l'intérieur d'un supraconducteur normal, les électrons forment des paires de telle sorte qu'ils peuvent traverser le matériau sans entrer en collision avec les sites du réseau cristallin et la perte d'énergie qui en résulte. Dans cette forme courante de supraconductivité, les champs magnétiques peuvent briser les paires d'électrons Cooper résultantes, ramenant le matériau à son état normal.

Mais récemment, des chercheurs ont montré que le ditellurure d'uranium se distinguait de ceux obéissant à la théorie traditionnelle des matériaux. L'année dernière, des physiciens ont montré que ce composé reste un supraconducteur même en présence de champs magnétiques allant jusqu'à 65 Tesla - dix mille fois plus puissants qu'un aimant de réfrigérateur. Ce comportement, combiné à d'autres mesures, a conduit les auteurs du nouvel article à supposer que les électrons du ditellurure d'uranium s'appariaient différemment que d'habitude, leur permettant de ne pas être détruits par le champ magnétique. L'appariement est important car les supraconducteurs dotés de cette propriété sont très susceptibles d'avoir des fermions de Majorana à leur surface.

Les scientifiques ont trouvé plusieurs nouveaux arguments en faveur de cette théorie. Ils ont utilisé un microscope à effet tunnel, un appareil qui peut imager la surface d'un matériau jusqu'au niveau atomique et voir ce qui arrive aux électrons. À la surface d'un tel matériau, on peut trouver une sorte de "marches" - des élévations, sur lesquelles la détection de quasi-particules insaisissables est la plus probable. Les chercheurs ont découvert que si certaines de ces étapes étaient filmées sous des angles différents, les formes d'onde étaient différentes et liées les unes aux autres comme des images miroir.

Cette anomalie peut s'expliquer par l'existence de fermions de Majorana qui circulent dans le même sens. La prochaine étape des scientifiques consiste à effectuer des mesures qui confirmeraient que le matériau a rompu la symétrie d'inversion du temps. Cela signifie que les particules devraient se déplacer différemment si la flèche du temps était théoriquement inversée. Si cela est confirmé, alors le ditellurure d'uranium serait le seul matériau - autre que l'hélium-3 superfluide - qui s'est avéré être un supraconducteur chiral non conventionnel.

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