Je leest:

Het kan bijna niet anders of het Majorana-deeltje is echt

Het kan bijna niet anders of het Majorana-deeltje is echt

Auteur: | 29 maart 2018
Bruno van Wayenburg

De sterkste aanwijzing tot nu toe voor het bestaan van het Majorana-deeltje is gevonden door wetenschappers van de technische universiteiten van Eindhoven en Delft. Ze schrijven dat in het wetenschappelijke tijdschrift Nature. Het Majorana-deeltje trekt al jaren aandacht van wetenschappers, omdat het wellicht het ideale hart is voor een razendsnelle quantumcomputer.

In 2012 ging de vlag al voorzichtig uit: Nederlandse wetenschappers zeiden in een halfgeleidende draad sporen van Majorana-deeltjes te meten. Een spectaculaire vondst: natuurkundigen jagen dan al tientallen jaren op het deeltje dat bijzonder is omdat het niet te onderscheiden is van zijn eigen zogenoemde antideeltje. Terwijl antideeltjes van andere elementaire deeltjes zoals protonen, neutronen en elektronen ‘gespiegelde’ eigenschappen hebben, zoals een tegenovergestelde lading, is het Majorana-antideeltje niet te onderscheiden van een Majorana-deeltje.

Ondanks het tromgeroffel ging het in 2012 slechts om sporen van het deeltje, die werden afgeleid uit het elektrische en magnetische gedrag van een microscopische draad waarin Majorana’s zouden zitten. Er was toen nog steeds ruimte voor andere verklaringen dan het Majorana-deeltje. Onzuiverheden in het materiaal of elektronen die gevangen raakten in de draad konden de signalen in principe ook verklaren.

Deze alternatieve verklaringen worden nu van tafel geveegd met nieuwe metingen aan een verbeterde opstelling. Het kan nu bijna niet anders of de onderzoekers onder leiding van Erik Bakkers (TU Eindhoven) en Leo Kouwenhoven (TU Delft) hebben daadwerkelijk Majorana-deeltjes te pakken. Het onderzoek is deze week in het wetenschappelijke tijdschrift Nature gepubliceerd.

Een identiek antideeltje

Materie is opgebouwd uit elementaire deeltjes zoals protonen, neutronen en elektronen, die allemaal een zogenoemd antideeltje hebben: een deeltje dat als het ware ‘tegenovergestelde’ eigenschappen heeft. Zo bestaat er naast het negatief geladen elektron het positief geladen positron. Antideeltjes zijn doorgaans geen lang leven beschoren. Zodra een deeltje en een antideeltje elkaar tegenkomen vernietigen ze elkaar.

De Italiaanse natuurkundige Ettore Majorana voorspelde in 1937 het bestaan van deeltjes die niet te onderscheiden zijn van hun eigen antideeltjes. Een eigenschap die het deeltje extra robuust maakt, en mogelijk geschikt maakt voor het doen van berekeningen in een quantumcomputer.

Overigens is het goed om te melden dat het Majorana-deeltje in dit onderzoek een zogenoemde quasi-deeltje is. Ofwel: iets dat zich ‘voordoet’ als een deeltje. In feite is het Majorana-quasi-deeltje een groep elektronen in het materiaal die zich collectief gedraagt als een elementair deeltje.

Jagen op de piek

Om de eerder gemeten signalen van de vermeende Majorana-deeltjes te verbeteren, ontwikkelden de onderzoekers een nieuwe opstelling. De productie vond plaats in een ultrahoog vacuüm en bij een temperatuur dicht bij het absolute nulpunt (-273 graden Celsius), omstandigheden waarbij materialen nauwelijks ‘vervuild’ raken met andere stoffen en waarbij contacten tussen verschillende materialen vrijwel naadloos worden.

Uitgelicht door de redactie

Biologie
Waarom winterslapers gezond wakker worden

Klimaatwetenschappen
De aarde opwarmen met 130 kilometer per uur

Cultuurwetenschappen
Nette dames vechten voor kiesrecht

De opstelling heeft qua vorm wel wat weg van een microscopische hashtag (#). De draden zijn van het halfgeleidende indium-antimoon. De draad krijgt vervolgens een dun ‘jasje’ van aluminium dat bij deze lage temperatuur supergeleidend is. Op de grens van het halfgeleidende en supergeleidende materiaal ontstaan volgens de theorie Majorana-deeltjes.

Het bewijs voor de aanwezigheid van Majorana-deeltjes vormt het meten van een zogenoemde zero-bias-piek. “Die piek is eigenlijk een maat voor de geleiding in de draad”, zegt Bakkers. “Zit er een Majorana-deeltje in de draad dan heeft deze piek een bepaalde hoogte en is hij bovendien niet te beïnvloeden door magnetische of elektrische velden waaraan we de draad blootstellen.”

Metingen aan de nieuwe opstelling laten nu precies de voorspelde piek zien. Een piek die de onderzoekers dolblij maakt. “Het klopt allemaal. In tegenstelling tot de eerdere experimenten halen we nu precies de hoogte van de voorspelde piek”, zegt Bakkers. “Als ik die meting uit 2012 nu terugzie dan schrik ik een beetje. Het klopte allemaal wel hoor, maar die metingen hadden erg veel ruis. Het zag er niet mooi uit.”

Het hart van een quantumcomputer

Vergroting van het experiment waarmee wetenschappers van de TU Eindhoven en TU Delft Majorana-deeltjes creëren, een microscopische ‘hashtag’. Het experiment maakt het mogelijk om twee Majorana-deeltjes van plaats te doen verwisselen, via een magneetveld dat op de ‘hashtag’ wordt gezet. Aan dat experiment werken de onderzoekers nu.

Goed, betere metingen. Mooi, maar waarom haal je hier het hoogst aangeschreven wetenschappelijke tijdschrift mee? Volgens Bakkers speelt de belofte van Majorana-deeltjes in de wereld van de quantumcomputers mee. Deze computers, momenteel volop in ontwikkeling, gebruiken de vreemde wetten van de quantummechanica om specifieke wiskundige problemen razendsnel op te lossen. “We denken dat Majorana’s heel stabiele rekeneenheden voor zo’n computer kunnen zijn, zogenoemde qubits”, zegt Bakkers. “Informatie die koppelt aan de quantumtoestand van een Majorana-deeltje is beter beschermd dan bij andere qubits, die doorgaans grilliger zijn en hun informatie snel verliezen.”

De prachtige piek ten spijt, volledig waterdicht bewijs voor het Majorana-deeltje is het nog steeds niet. Daarvoor moeten de onderzoekers twee Majorana-deeltjes in een draad creëren en met elkaar verwisselen. Daar werken ze nu aan. Bakkers is vol vertrouwen, maar blijft voorzichtig. “We hebben al vaker meegemaakt dat theoretische natuurkundigen toch weer met een nieuwe alternatieve verklaring komen”, zegt hij. “Toch geloof dat er nu weinig andere opties dan een Majorana-deeltje meer over zijn.”

Bron

  • Zhang H. et al., Quantized Majorana conductance, Nature (28 maart 2018), DOI:10.1038/nature26142
Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 29 maart 2018

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.