Een Majorana-fermion = (1 elektron + 1 gat)/2 .

Hoe echt het Majorana-deeltje is, daarover valt te twisten

  • Door: Arnout Jaspers (Noorderlicht)
???link.zoom???

Delftse nanowetenschappers onder leiding van Leo Kouwenhoven ontdekken interessante nieuwe fysica, maar er is slechts een verschijnsel gedetecteerd dat niet los kan bestaan van de nanostructuur er omheen.

Zoom
De nanostructuur waarin het duo Majorana-fermionen is gecreeƫrd. Het witte balkje is 0,001 millimeter.

Majorana-deeltjes zijn hot, ze hingen zogezegd in de lucht. Bijna exact een jaar geleden deed de Amerikaanse fysicus Michael Freedman in het tijdschrift Science een voorspelling: 'Dit is het decennium van de Majorana fermionen. Ik ben uitermate optimistisch dat ze gevonden worden.' Freedman werkt, net als Kouwenhoven, voor een mede door Microsoft betaald onderzoeksproject op dit gebied, en men is op zijn wenken bediend: het Majorana-fermion is er, het staat nu in ScienceExpress.

Een deeltje ontdekken waar al 70 jaar naar gezocht is, en dat werd voorspeld door een op mysterieuze wijze verdwenen genie, Ettore Majorana, dat slaat aan in de media. Journaals maakten er melding van, Kouwenhoven schoof aan bij Pauw&Witteman, en De Wereld Draait Door pakte het op.

Wat de Large Hadron Collider nog steeds niet is gelukt met het Higgs-deeltje, dat lukte de Delftse nanotechologen wel met het Majorana-deeltje, zo lijkt het. Maar zo simpel is het niet.

Oude technologie
Alexander Brinkman en zijn onderzoeksgroep (Quantum Transport in Matter van Mesa+ aan de Universiteit Twente) werken op hetzelfde terrein, en hopen binnenkort ook Majorana-deeltjes in hun opstelling te detecteren. Brinkman: 'Eigenlijk is de manier zoals de groep van Kouwenhoven het gedaan heeft oude technologie, wij proberen het met nieuwere technologie.' Het verschil is nogal technisch, in Kouwenhovens nanostructuur zit een draad van halfgeleidermateriaal (InSb, indium-antimoon), terwijl Brinkmans groep werkt aan een nanostructuur met een 'topologische isolator' van bismut-tellurium.

Allebei willen ze graag Majorana-fermionen kunnen creeëren en manipuleren, omdat ze prima geschikt zouden kunnen zijn als qubits, de elementaire bouwblokjes van een quantumcomputer. Brinkman zal dus de laatste zijn om het belang van Kouwenhovens ontdekking te bagatelliseren.

Tekenen van....
Bij de nuchtere waarnemer roept de hype in de media roept wel vragen op. Heeft Kouwenhovens groep het Majorana-deeltje echt ontdekt? Ten eerste luidt de titel van hun artikel in Science Signatures of Majorana-fermions....(zoiets als: tekenen die wijzen op Majorana-fermionen....). En wat in de talkshows bovendien volledig buiten beeld bleef: het is geen echt deeltje wat in Delft ontdekt is. Brinkman: 'Het is zeker zo, dat zijn Majorana-fermion een quasi-deeltje is.'

Quasi-deeltjes zijn er in alle soorten en maten, maar het fenomeen komt alleen in de vaste stof voor, waar talloos veel deeltjes (elektronen, atomen) op elkaar inwerken. Brinkman geeft zelf het voorbeeld van een elektron dat zich door een metaal beweegt, maar weerstand ondervindt van alle omringende atomen: 'Alsof je een knikker door stroop heen trekt, dat gaat dat veel zwaarder dan door water. Je kunt dat fysisch beschrijven alsof de knikker een grotere massa heeft gekregen, en dan zou ik dat al een quasi-deeltje noemen.'

In de vaste-stoffysica wemelt het van nog veel esotherischer quasi-deeltjes. De specialisten zijn daar zo aan gewend geraakt dat ze het onderscheid met echte deeltjes niet meer maken, sommigen erkennen het wellicht niet eens meer. Zo is het erg handig om een gat in een zee van (negatief geladen) elektronen in een halfgeleider te beschrijven als een positief geladen deeltje. Zo'n gat kan door de halfgeleider bewegen, en zelfs botsen met andere gaten. Maar je kunt het nooit uit de halfgeleider losmaken, want dan is het letterlijk niks meer.

Andere quasi-deeltjes zijn een wiskundige metafoor voor gecompliceerd collectief gedrag van de atomen en/of elektronen in een metaal, bijvoorbeeld fononen (gequantiseerde roostertrillingen) of de fameuze Cooper-paren – gepaarde elektronen – die supergeleiding verklaren. Niemand heeft destijds de experimentele ontdekking van het Cooper-paar of het fonon geclaimd , omdat het slechts quasi-deeltjes zijn.

Hoe zit dit nu met Kouwenhovens ontdekking? Brinkman: 'Omdat het Majorana-fermion gelijk moet zijn aan zijn eigen antideeltje, moet het elektrische lading nul hebben en spin nul. Dat bereik je door een elektron (lading -1) en een gat (lading +1) te combineren. Als je het heel goed bekijkt, is één Majorana-deeltje een half elektron met een half gat.' Omdat je een elektron en een gat niet echt in tweeën kunt hakken, moet in Kouwenhovens nanostructuur dan ook een duo Majorana-fermionen zijn ontstaan, aan beide uiteinden van het supergeleidend stukje nanodraad.

Elektrisch en magnetisch gedraagt de nanostructuur zich precies alsof er zo'n Majorana-duo aanwezig is, maar bijvoorbeeld de massa ervan is niet gemeten. Brinkman heeft ook geen idee wat die massa zou moeten zijn, het is nog maar de vraag of 'massa' wel een zinnig concept is in dit verband.

Het Majorana-deeltje zoals Ettore Majorana dat in 1937 voorspelde, was iets heel anders: een echt ding met een welbepaalde rustmassa (eventueel 0), net als een elektron of een neutrino, een object dat in vacuum ook bestaat en dat eventueel naar de andere kant van het heelal kan reizen. Er wordt al gespeculeerd dat zulke Majorana-fermionen in enorme aantallen in het heelal voorkomen, en zo het grootste deel van de donkere massa in het heelal voor hun rekening nemen. Maar daar heeft het experiment in Delft eigenlijk niets over te melden.

Signatures of Majorana Fermions in Hybrid Superconductor-Semiconductor Nanowire Devices , V. Mourik, L. Kouwenhouven, e.a., ScienceExpress, 12 april
 

reacties