Reflets de la Physique n°61 mar/avr/mai 2019
Reflets de la Physique n°61 mar/avr/mai 2019
  • Prix facial : gratuit

  • Parution : n°61 de mar/avr/mai 2019

  • Périodicité : bimestriel

  • Editeur : Société Française de Physique

  • Format : (210 x 297) mm

  • Nombre de pages : 56

  • Taille du fichier PDF : 3,8 Mo

  • Dans ce numéro : dossier sur l'amplification d'impulsions laser par dérive de fréquence.

  • Prix de vente (PDF) : gratuit

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Pour paraphraser KarlMarx, « un spectre hante la physique  : le spectre d’Ettore Majorana ». Près de 80 ans après sa disparition, les travaux du physicien italien continuent d’inspirer les chercheurs. Ainsi, dans son dernier article, Majorana prédit qu’une particule élémentaire dépourvue de charge électrique pourrait être sa propre antiparticule [1], en opposition avec la théorie de Dirac, pour laquelle une particule et son antiparticule sont distinctes. Plusieurs groupes ont récemment annoncé la découverte de quasiparticules de Majorana dans des nanostructures supraconductrices. En plus d’être leur propre antiparticule, ces quasi-particules possèdent des propriétés exotiques qui sont d’un grand intérêt pour le développement d’un ordinateur quantique topologiquement protégé (a). 4 Reflets de la Physique n°61 Le spectre de Majorana Des quasi-particules exotiques découvertes dans des nanostructures supraconductrices pourraient servir à construire un ordinateur quantique Manuel Houzet (1) (manuel.houzet@cea.fr), Julia Meyer (1) (julia.meyer@univ-grenoble-alpes.fr) et Pascal Simon (2) (pascal.simon@u-psud.fr). (1) Laboratoire Photonique, Électronique et Ingénierie Quantique (PHELIQS), Université Grenoble Alpes et CEA, 17 rue des Martyrs, 38054 Grenoble Cedex 9 (2) Laboratoire de Physique des Solides, CNRS, Univ. Paris-Sud, Univ. Paris-Saclay, Bât. 510, 91405 Orsay Cedex Des particules élémentaires aux quasi-particules de la physique des solides Les particules élémentaires décrites par la mécanique quantique sont classées en deux grandes familles  : les fermions et les bosons. Les fermions, tels que les électrons ou les quarks dont sont constitués les protons et les neutrons, constituent la matière, tandis que les bosons, tels que les photons de l’électromagnétisme ou les gluons de l’interaction forte, sont les médiateurs des interactions. Chaque particule fermionique est associée à son antiparticule avec laquelle elle peut s’annihiler. Ainsi, lorsqu’un électron et un positron entrent en collision, ils peuvent disparaître en produisant deux photons. Selon le modèle standard qui est le cadre théorique pour comprendre la plupart des propriétés de la matière, les antiparticules sont distinctes des particules ; elles ont par exemple des charges électriques opposées. Ce n’est pas le cas pour les particules prédites par le physicien italien Majorana (fig. 1), depuis nommées « fermions de Majorana », qui sont leur propre antiparticule. L’absence de charge électrique est donc une condition nécessaire pour envisager qu’une particule élémentaire possède cette propriété. Des expériences sont en cours, par exemple dans le laboratoire souterrain de Modane, pour identifier si les neutrinos qui sont les seuls fermions élémentaires dont la charge électrique est nulle sont des fermions ordinaires ou de Majorana [2]. Leurs résultats auront des conséquences importantes en physique des particules, pour comprendre par exemple 1. Photo d’Ettore Majorana. (Source  : wikipedia) Né en 1906, Majorana est un physicien italien qui a apporté des contributions théoriques majeures dans les neuf articles qu’il a publiés. Sa disparition mystérieuse en 1938 a inspiré de nombreux écrivains [dont Friedrich Dürrenmatt, Les physiciens (1962), et Leonardo Sciascia, La disparition de Majorana (1975)]. l’origine de la faible masse des neutrinos, ou en cosmologie pour expliquer la dissymétrie matière/antimatière de notre Univers. Mais, à ce jour, la nature des neutrinos reste inconnue. La physique des solides offre un terrain alternatif pour la découverte non pas de particules élémentaires, mais de « quasiparticules » aux propriétés exotiques. En effet, la plupart des propriétés de la matière proviennent des électrons, qui sont des fermions. Par contre, leur comportement
dans un matériau n’est pas le même que celui des électrons élémentaires dans le vide. Dans un solide cristallin, chacun des atomes qui occupent les sites d’un réseau régulier libère des électrons qui peuvent s’y propager. Ces électrons itinérants inter agissent entre eux, ainsi qu’avec les vibrations du réseau des atomes ionisés. Pour expliquer et prédire les propriétés d’un matériau, il est alors plus commode de décrire ces comportements collectifs comme étant ceux de « quasi-particules » indépendantes, et non comme la somme d’une multitude de comportements individuels, mais interdépendants, des électrons et des ions. E 0 A A états vides états occupés trou électron a b o o E 0 Souvent, les propriétés des quasi-particules restent similaires à celles des électrons dont elles sont issues ; seuls certains paramètres tels que leur masse sont modifiés par les interactions, tandis que leur charge reste inchangée. Ces électrons « habillés » forment alors un « liquide de Fermi », dont la théorie rend compte des propriétés de états vides états occupés 2. États (quasi) électroniques en fonction de l’énergie dans un métal et dans un supraconducteur. a) Dans un métal, les états d’énergie négative sont occupés – ils forment une mer de Fermi ; les états d’énergie positive sont vides. Les quasi-particules sont soit des électrons au-dessus de la mer de Fermi, soit des absences d’électrons (ou encore des trous) en dessous. b) Dans un supraconducteur, les états mobiles occupés et vides sont séparés par une région d’énergies inaccessibles (ou gap) dans le spectre des excitations. Des paires d’états localisés peuvent apparaître dans le gap, tout en gardant des énergies opposées. Un supraconducteur topologique est caractérisé par l’apparition d’un unique état d’énergie nulle. D. Razmadze, Center for Quantum Devices & Microsoft Quantum Copenhagen at University of Copenhagen. gap état à énergie nulle = paire de quasi-particules de Majorana Images de la physique 1 µm Image obtenue par microscopie électronique à balayage d’un circuit réalisé pour manipuler des quasi-particules de Majorana. Les couleurs ont été ajoutées pour indiquer le nanofil d’InAs (vert) recouvert d’aluminium (bleu) et contrôlé grâce à des grilles électrostatiques en titane et or (jaune). nombreux métaux. Comme dans le gaz de Fermi étudié dans les cours universitaires de physique statistique, chaque quasiparticule fermionique occupe un « état quantique » avec une certaine énergie et une certaine impulsion ; elle est donc délocalisée spatialement. De plus, deux fermions ne peuvent pas occuper le même état en raison du principe d’exclusion formulé par Pauli. D’après ces règles, l’état fondamental d’un système électronique, c’est-à-dire l’état de plus basse énergie, correspond à l’occupation de tous les états quantiques dont l’énergie est inférieure à une valeur spécifique, appelée niveau de Fermi. Par analogie avec un concept introduit par Dirac en physique des particules, on dit que ces états quantiques forment une « mer de Fermi ». Cette dernière peut être considérée comme un espace « vide », caractérisé par l’absence de quasiparticules et dont l’énergie totale sert de référence pour la mesure des énergies. Les quasi-particules sont alors des états quantiques excités de la mer de Fermi. Un champ électrique appliqué a tendance à déplacer ces quasi-particules qui sont chargées. La résistance électrique des métaux a pour origine le principe de Pauli, qui freine la réorganisation de la mer de Fermi induite par ces déplacements. Reflets de la Physique n°61 5



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