Supergeleidende nanostructuur eerste stap naar Majorana fermion

Een internationaal team van onderzoekers is erin geslaagd om de oppervlakte van een zogenaamde topologische isolator supergeleidend te maken, door het tussen twee supergeleidende elektroden te plaatsen. Deze sandwichconstructie op nanoschaal is een belangrijke stap op weg naar de ontdekking van een nieuw deeltje: het ongrijpbare Majorana fermion.

De onderzoekers van het Mesa+ Instituut voor Nanotechnologie van de Universiteit Twente, de Stichting FOM, de High Field Magnetic Laboratory van de Universiteit Nijmegen, de Universiteit Leiden en het Institute for Superconducting and Electronic Materials van de universiteit van Wollongong (Australië) publiceerden hun resultaten online in het tijdschrift Nature Materials.

Topologische isolatoren en supergeleiders

Topologische isolatoren en supergeleiders zijn twee heel bijzondere elektronische materialen. De topologische isolatoren isoleren aan de binnenkant, maar geleiden juist aan het oppervlak. Daarnaast hebben ze de bijzondere eigenschap dat de spin (het magnetisch moment) van de ladingsdragers aan de richting van hun beweging zijn gekoppeld. In supergeleiders ondervindt elektrische stroom geen enkele weerstand. Om een topologische isolator supergeleidend te maken fabriceerden de onderzoekers in het Mesa+ Nanolab speciale nanostructuren: twee supergeleidende elektroden met de topologische isolator daar tussenin. De supergeleidende stroom kan dan van de ene naar de andere supergeleider via het oppervlak van de topologische isolator.

Hoge magneetvelden en lage temperaturen

Als twee supergeleiders, gescheiden door een ander materiaal, heel dicht bij elkaar gebracht worden ontstaat een structuur met uitzonderlijke eigenschappen: de Josephson junctie. Stroom kan weerstandsloos vloeien door het niet-supergeleidende materiaal en is uiterst gevoelig voor een magnetisch veld. Daarmee zijn deze structuren belangrijke bouwstenen voor supergeleidende elektronica en sensoren. De onderzoekers hebben nu een nieuwe Josephson junctie gedemonstreerd, gemaakt van de topologische isolator bismut-telluride en de supergeleider niobium. Door metingen bij zeer hoge magneetvelden in het HFML te Nijmegen te combineren met elektrische metingen bij hele lage temperaturen in Twente toonden ze aan dat de topologische isolator inderdaad supergeleidend wordt aan het oppervlak. 

Majorana fermion

Wanneer het tussenliggende materiaal in een Josephson-junctie een topologische isolator is, kan er nog iets bijzonders ontstaan: een Majorana fermion. In 1937 voorspelde Ettore Majorana al het bestaan van dit deeltje dat zijn eigen antideeltje is. Er wordt beweerd dat mogelijkerwijs het grootste deel van ons universum bestaat uit deze deeltjes, maar er is er nog nooit een aangetoond. Met de komst van nanotechnologie en topologische isolatoren kan dit deeltje nu wellicht artificieel gemaakt worden. Wetenschappers denken al aan toepassingen van het Majorana fermion als basis van de quantumcomputer.

'Josephson supercurrent through a topological insulator surface state', M. Veldhorst1, M. Snelder¹, M. Hoek¹, T. Gang¹, V. K. Guduru², X. L.Wang³, U. Zeitler², W. G. v. d.Wiel¹, A. A. Golubov¹, H. Hilgenkamp^1,4, en  A. Brinkman¹