Pieter Edelman
13 April 2012

Met financiële ondersteuning van Microsoft en praktische hulp van de TUE heeft de Delftse groep van Leo Kouwenhoven voor het eerst een Majorana-deeltje gedetecteerd, een exotische variant van de deeltjes waaruit alledaagse materie is opgebouwd. Althans, ze hebben verschijnselen gedetecteerd die eigenlijk niet anders te verklaren zijn dan door de aanwezigheid van deze deeltjes. Dat schrijven de wetenschappers in Science.

Kwantumdeeltjes moeten volgens de wetten van de natuurkunde altijd een tegenhanger hebben dat in bijvoorbeeld massa exact gelijk is, maar in eigenschappen zoals lading compleet tegengesteld is. In de jaren dertig voorspelde de Italiaan Ettore Majorana dat er echter ook deeltjes moeten bestaan waarvan het antideeltje exact hetzelfde is. Van bosonen, waar onder meer fotonen onder vallen, is dat niet zo lastig. Maar bij fermionen, de klasse van deeltjes waaruit materie gevormd is, ligt dat anders. Dergelijke deeltjes die hun eigen antideeltje zijn, kunnen noodgedwongen geen elektrische lading, spin of energie hebben.

De theoretische voorspelling was tot nog toe praktisch niet aangetoond. Voor kwantumcomputers zouden de deeltjes echter ideaal zijn, omdat ze zich weinig aantrekken van hun omgeving en bijzonder stabiel zijn – ziedaar de reden dat Microsoft een miljoen dollar in het onderzoek pompte. Ook wordt er gespeculeerd dat donkere materie in het heelal uit Majorana-deeltjes bestaat.

Dit soort ’ontbrekende‘ deeltjes – zoals ook het Higgs-boson – worden doorgaans gezocht in de brokstukken die ontstaan als atomen met enorme deeltjesversnellers zoals de LHC tegen elkaar aan worden geschoten. Voor het detecteren van de Majorana‘s is er echter nog geen versneller met voldoende vermogen.

 advertorial 

Free webinar ‘Modernizing your code base with C++20’

As many production tool chains now adopt C++20 features, the potential this brings is unlocked. What advantages can recent versions offer to your code base? In this webinar we’ll look at the great improvements C++ has gone through and how features like concepts and ranges can transform your code. Register for 2 February, 4PM.

Majorana
Een halfgeleidend nanodraadje (grijs) dat overlapt met een supergeleider (blauw) induceert een koppel Majorana-deeltjes (geel). De Delftse onderzoeksgroep van Leo Kouwenhoven bewees dit doordat elektronen alleen met de juiste energie door de structuur kunnen stromen (groen).

Natuurkundigen hadden echter ook een andere aanpak bedacht, en die hebben de Delftenaren nu werkelijkheid gemaakt. In plaats van te zoeken in brokstukken van atomen, kunnen de Majorana‘s ook spontaan ontstaan bij de juiste omstandigheden, zo theoretiseerden ze: bij een combinatie van halfgeleider, een supergeleider met sterke spinbaankoppeling, gevat in een eendimensionale structuur bij zeer lage temperaturen en een extern magneetveld zouden de deeltjes de kop op moeten steken. In 2010 opperden twee onderzoeksgroepen hoe deze omstandigheden praktisch gerealiseerd kunnen worden. De Delftenaren hadden de componenten van een dergelijk systeem al uit eerdere onderzoeken beschikbaar en werden zodoende benaderd door Microsoft voor een gezamenlijk onderzoeksprogramma met het Fom.

Het systeem bestaat uit een chip waarop door de TU Eindhoven gemaakte nanodraadjes van indiumantimonide (InSb) zijn gelegd: een halfgeleider met sterke spinbaankoppeling. Deze zijn aan het ene uiteinde verbonden met een normale gouden elektrode, en aan de andere kant met een Nb-legering: een supergeleider die ook in een extern magneetveld blijft werken. Waar de twee structuren overlappen, dringt de supergeleiding de halfgeleider binnen en ontstaat de gewenste ééndimensionale supergeleider. Gekoeld tot vlak boven het nulpunt en onder invloed van een magneetveld zou hierin volgens de theorie een koppel Majorana-deeltjes moeten ontstaan; aan elk uiteinde één.

Om deze deeltjes te meten, komt de normale elektrode van pas. Alleen elektronen met een energie van nul kunnen het Majorana-deeltje passeren. Als ze via een elektrische spanning extra energie meekrijgen, dan worden ze gereflecteerd. Dit verwachte piekje in de geleiding is precies wat werd aangetroffen.

De Delftenaren zijn ondertussen al druk bezig met het vervolgonderzoek. Dat moet meer zekerheid opleveren over het al dan niet bestaan van de deeltjes, maar richt zich vooral op de eigenschappen ervan. Die zijn namelijk fundamenteel anders dan van zowel normale fermionen als van bosonen. Voor dit onderzoek is de samenwerking met de Universiteit Leiden opgezocht.