Minuscule supergeleidende batterijtjes

Elektriciteit in een lamp stroomt door een spanningsverschil, dat nodig is om de elektrische weerstand te overwinnen. In supergeleiders werkt dat niet, want daar ondervindt de stroom geen weerstand. Supergeleidende stroom heeft een faseverschil nodig en, hoewel de stroom dan zonder verliezen loopt, kostte het creëren van dat faseverschil tot nu toe wel energie. Wetenschappers van QuTech bouwden een ‘phi0-Josephson Junction’, die zo’n faseverschil in rust al heeft. Deze Josephson Junction kan daardoor dienen als een minuscuul batterijtje om supergeleidende stroom in op te slaan.

Dit resultaat is ook een stap in de richting van het definitieve bewijs voor het Majorana-fermion, het bijzondere deeltje waarvan de eerste signalen gezien zijn in QuTech in 2012. Majorana’s zijn een andere mogelijke kandidaat voor de rol van kwantum bits. De condities die nodig zijn voor een φ₀ -Josephson Junction zijn identiek aan die voor Majorana’s.

Faseverschil manipuleren

"Een Josephson Junction bestaat uit twee supergeleiders, verbonden door een brug, bijvoorbeeld een nanodraad gemaakt van een halfgeleider, dus een niet-supergeleidend materiaal", vertelt FOM-promovendus Daniel Szombati. Wetenschappers weten al vijftig jaar dat een Josephson Junction kan dienen om supergeleidende stromen te sturen. "Ze hebben de bijzondere eigenschap dat het faseverschil, een eigenschap van het supergeleidende materiaal waarmee je de stroom stuurt, kan worden gemanipuleerd. Het is te vergelijken met een waterkrachtcentrale: net zoals de dam het hoogteverschil veroorzaakt dat nodig is om water te laten stromen, creëert de Josephon Junction een faseverschil. Dit faseverschil kan worden geregeld met sterke magneetvelden, maar dat vraagt veel energie. Onze φ₀-Josephson Junction is bijzonder omdat hij van zichzelf al een faseverschil heeft. Om de stroom te stoppen heb je een elektrisch veld nodig".

Daarmee hebben Szombati en zijn collega’s uit de groep van FOM-werkgroepleider Leo Kouwenhoven een supergeleidend batterijtje gemaakt dat een klein beetje supergeleidende stroom kan opslaan.

Symmetrie

Het onderzoek aan de φ₀-Josephson Junction heeft een breder belang, omdat dit een bijzonder geval van natuurkundige symmetrie is. Symmetrie speelt een belangrijke rol in de natuurkunde; veel processen worden erdoor geregeld. Een bal op een vlak oppervlak bijvoorbeeld heeft rotatie-symmetrie: vanuit het perspectief van de bal zijn alle rolrichtingen gelijk, dus de bal rolt nergens heen. Die symmetrie kan worden verbroken door het vlak te kantelen.

Standaard Josephson Junctions hebben allemaal een bepaalde symmetrie, ‘chiral’ genaamd (afgeleid van het Griekse woord voor hand). Zonder verstoring kunnen die Josephson Junctions geen onderscheid maken tussen links en rechts, dus loopt er geen stroom. "De φ₀-Josephson Junction is anders", zegt Szombati. "Van Erik Bakkers en zijn Eindhovense team kregen we een nieuw soort halfgeleidermateriaal, waarvan we ontdekten dat supergeleiding heel anders werkt onder invloed van een magneetveld. De symmetrie verdwijnt en er loopt stroom zonder een faseverschil. Alsof er water stroomt door een volledig vlakke rivier. Dat is fundamenteel heel interessant."

Majorana-kwantumbit

Deze phi0-Josephson Junctions zijn ook een stap richting kwantumbits gebaseerd op Majorana-fermionen. De eerste tekenen van dit bijzondere deeltje, dat al in 1930 werd voorspeld door naamgever Ettore Majorana, werden in 2012 gezien in het lab Kouwenhoven. Het onderzoek van zijn groep richt zich nu op het creëren van Majorana-fermionen en het uitvoeren van bewerkingen met de deeltjes die alleen met zogenoemde ‘niet-abelse statistiek’ verklaarbaar zijn.

"Als je een eigenschap van twee deeltjes verwisselt, en je wisselt ze daarna weer terug, dan ben je weer waar je was. Behalve met Majorana’s, die hebben de bijzondere eigenschap dat informatie over die interactie bewaard blijft. Het uitlezen van dit geheugen van Majorana’s zou het onweerlegbare bewijs zijn dat ze niet alleen echt bestaan, maar ook gebruikt zouden kunnen worden als kwantumbit", stelt Kouwenhoven. "Ze zijn veelbelovend omdat Majorana’s nauwelijks interacteren met hun omgeving, en daardoor veel beter beschermd zijn tegen het verliezen van hun kwantuminformatie. Maar de keerzijde is dat ze daardoor heel moeilijk zijn te detecteren."

De condities in φ₀-Josephson Junctions zijn identiek aan degene die naar verwachting nodig zijn voor het creëren van Majorana’s. Om ze te kunnen detecteren werken wetenschappers momenteel aan nog verfijndere metingen.

Dit onderzoek is uitgevoerd bij QuTech en mede mogelijk gemaakt door FOM/NWO en Microsoft Project Q.