Nanowetenschappers vinden langgezocht Majorana-deeltje (video)

Nanowetenschapper Leo Kouwenhoven veroorzaakte in februari al grote opwinding onder natuurkundigen door de voorlopige resultaten op een wetenschappelijk congres te presenteren. Op 12 april publiceren de wetenschappers hun onderzoek in Science. Het onderzoek werd gefinancierd door de Stichting FOM en Microsoft.

 

Kwantumcomputer en donkere materie

Majorana fermionen zijn zeer interessant en niet alleen omdat de ontdekking ervan een heel nieuw en onbekend hoofdstuk van de fundamentele natuurkunde opent. Ze spelen mogelijk ook een rol in de kosmologie. Een gangbare theorie veronderstelt dat de mysterieuze ‘donkere materie’, die het grootste deel van het heelal vormt, uit Majorana fermionen bestaat. Daarnaast zien wetenschappers de deeltjes als fundamentele bouwstenen van de kwantumcomputer, een type computer dat veel krachtiger is dan de beste supercomputer maar nu alleen nog in theorie bestaat. In tegenstelling tot ‘gewone’ kwantumbits zijn bits gebaseerd op Majorana’s namelijk stabiel en nauwelijks gevoelig voor invloeden van buitenaf.

 

Nanodraad

Wetenschappers van de groep van Leo Kouwenhoven hebben voor het eerst in het laboratorium een opstelling weten te maken waarin een paar van Majorana’s ´verschijnt´, aan de uiteindes van een nanodraad. Ze combineerden daarvoor een extreem klein nanodraadje, geproduceerd door collega´s van de TU Eindhoven, met een supergeleidend materiaal en een sterk magneetveld. "De metingen aan het deeltje aan het uiteinde zijn niet anders te verklaren dan door de aanwezigheid van een paar Majorana’s", stelt Kouwenhoven.

 

Deeltjesversnellers

In theorie is het mogelijk een Majorana te detecteren met een deeltjesversneller, zoals die van CERN. De huidige Large Hadron Collider lijkt daarvoor nu niet gevoelig genoeg, maar volgens de natuurkunde is er nog een andere mogelijkheid: Majorana’s kunnen ook verschijnen op plekken met exact de juiste omstandigheden. "Het magische aan kwantummechanica is dat zo’n gecreëerd Majorana-deeltje hetzelfde is als die in een deeltjesversneller waargenomen kan worden, al is dat heel moeilijk te bevatten", legt Kouwenhoven uit. "In 2010 kwamen twee verschillende groepen theoretici met een oplossing met nanodraden, supergeleiders en een sterk magneetveld. Die ingrediënten kenden wij aan de TU Delft toevallig heel goed uit eerder onderzoek." Microsoft benaderde Leo Kouwenhoven om samen met hen een speciaal FOM-programma te leiden op jacht naar Majorana’s, en met succes.

 

Ettore Majorana

De Italiaanse natuurkundige Ettore Majorana was een briljant theoreticus die al op jonge leeftijd blijk gaf van een groot inzicht in de natuurkunde. Hij vond een tot dan toe nog onbekende oplossing voor de vergelijkingen waaruit kwantumwetenschappers alle elementaire deeltjes herleidden: het Majorana fermion. Vrijwel alle theoretische deeltjes die de kwantumleer voorspelt zijn in de afgelopen decennia gevonden, met een paar uitzonderingen waaronder het raadselachtige Majorana-deeltje en het bekende higgsboson.

De persoon Ettore Majorana is al even mysterieus als het deeltje. Hij nam al zijn geld op en verdween in 1938 tijdens een bootreis van Palermo naar Napels. Of hij zelfmoord pleegde, vermoord werd of onder een andere identiteit verder leefde is niet bekend. Er werd nooit een spoor van Majorana gevonden.

 

Het artikel is gepubliceerd in Science Express op 12 april: Signatures of Majorana fermions in hybrid superconductor-semiconductor nanowire devices, V. Mourik1†, K. Zuo1†, S.M. Frolov1, S.R. Plissard2, E.P.A.M. Bakkers1,2, L.P. Kouwenhoven1*

1Kavli Institute of Nanoscience, TU Delft, 2600 GA Delft.

2Department of Applied Physics, TU Eindhoven, 5600 MB Eindhoven.

†Deze auteurs hebben een gelijkwaardige bijdrage geleverd.