Een internationaal team onderzoekers van onder meer QuTech (TU Delft) en TU Eindhoven presenteert vandaag in Nature de belangrijkste aanwijzing tot nu toe voor het bestaan van het mysterieuze Majorana-deeltje. In 2012 vond deze samenwerking onder leiding van Leo Kouwenhoven (QuTech, Microsoft) en Erik Bakkers (TU Eindhoven) de eerste signalen voor de aanwezigheid van het deeltje dat tegelijk zijn eigen antideeltje is. Dankzij verbeterde materialen zijn die oorspronkelijke experimenten nu herhaald en volgt het gevonden signaal precies wat de theorie voor het deeltje voorspelt. Met dit resultaat is een definitief bewijs voor het deeltje sterk dichterbij gekomen.
*13 MEI 2020 - Waarschuwing: Onlangs is vastgesteld dat er fouten zijn opgetreden in de manier waarop de ruwe gegevens zijn verwerkt in de Nature publicatie Quantized Majorana conductance uit 2018. Nature werkt samen met de auteurs om de zaak op te lossen, maar in de tussentijd worden de lezers gewaarschuwd voor het gebruik van de resultaten van deze publicatie.*
Majorana
In 1937 voorspelde Ettore Majorana een nieuw fundamenteel deeltje, dat later naar hem is vernoemd: het Majorana-deeltje. Dit deeltje heeft de eigenschap dat het zijn eigen antideeltje is. Onderzoeker Hao Zhang: ‘dat is bijzonder, want meestal heeft een antideeltje juist een tegengestelde eigenschap, zoals een andere lading. Zo is het positron het antideeltje van het elektron.’
Majorana-quasideeltjes verschijnen onder zeer specifieke omstandigheden in materialen. Als een nanodraad die van een halfgeleider is gemaakt met een supergeleidend materiaal wordt verbonden, nemen onderzoekers bij bepaalde elektrische en magnetische velden een zogenaamde ‘zero-bias-piek’ waar. Dit signaal is een belangrijk kenmerk van de aanwezigheid van Majorana-deeltjes.
Hard gewerkt aan verbetering
Bij de eerste experimenten, in 2012, zat de zero-bias-piek vol ruis en was hij lastig te zien. Daardoor was het verschijnen van het Majorana-deeltje discutabel. In de jaren daarop hebben onderzoekers hard gewerkt aan het verbeteren van de theorie, materialen en de productie ervan in experimenten.
In de afgelopen maanden haalden Kouwenhoven en Bakkers in rap tempo meerdere mijlpalen van het onderzoek. Dankzij een geavanceerde quantumchip met verbeterde materialen en zeer zuivere contacten kunnen ze nu verbeteringen aantonen in hoogkwalitatieve interfaces en superclean Majorana-transport. Ook bevat de chip zogeheten ‘nano-hashtags’ die het mogelijk maakt om in de toekomst Majorana-deeltjes uit te wisselen. Het Delft-Eindhovense team verscherpten de kwaliteit van de metingen uit 2012 met deze verbeterde chip. De hoogte van de zero-bias-piek is nu exact wat de theorie voorspelt. “Dit is een belangrijke aanwijzing dat het inderdaad om een Majorana gaat”, zegt Kouwenhoven. “Dit is de nieuwe standaard in Majorana-land”, aldus Erik Bakkers.
Perfecte quantumcomputer
Het definitieve bewijs zal moeten volgen uit het wisselen van plek van twee Majorana-deeltjes. Bovendien zou je hiermee de eerste aanzet kunnen doen voor een qubit, de bouwsteen van een quantumcomputer. “Dankzij hun unieke fysieke kenmerken zijn Majorana-deeltjes veel stabieler dan de meeste andere qubits”, zegt eerste auteur Hao Zhang van de TU Delft. “Het maken en reguleren van de Majorana-deeltjes om de topologische quantumcomputer te kunnen bouwen is nog steeds een uitdaging. Met de controle en het inzicht die nu zijn bereikt, kan quantuminformatica op basis van Majorana-deeltjes worden verkend.”
Zie ook de volgende mooie uitleg op quantumfrontiers.com.
Dit werk is het resultaat van een samenwerking tussen QuTech, TU Delft, JQI(Maryland), Microsoft, TU Eindhoven en UC Santa Barbara.
Foto: Guus Schoonewille
Afbeelding: Bruno van Wayenburg
DOI: http://doi.org/10.1038/nature26142