Majoranafermion ontdekt

Quasideeltjes in een indium-antimoonnanodraad op een supergeleider?!?

  • Door: Diederik Jekel (Noorderlicht)
Vergroten

Een onderzoeksgroep van de Universiteit Delft heeft een lang geleden voorspeld deeltje ontdekt. Een deeltje waar bijna niemand ooit van gehoord heeft in een onbekende materialensandwich. En toch zou het wel eens de toekomst van computers kunnen betekenen.

Spinozaprijswinnaar Leo Kouwenhoven van de TU Delft is één van de wereldwijde experts op het gebied van kwantumcomputers en kwantumdots. Eind februari sprak hij op de grootste natuurkundigenconferentie ter wereld genaamd The American Physical Society’s March Meeting. Daar vertelde hij dat hij goede hoop heeft dat zijn onderzoeksgroep een zogenaamd Majoranafermion heeft ontdekt. Dit was zulk groot nieuws dat Nature er meteen een nieuwsartikel aan wijdde en ook de Volkskrant besteedde er aandacht aan. Als het echt Majoranafermionen zijn dan zou een Nobelprijs wel eens in het verschiet kunnen liggen. Maar wat zijn nu eigenlijk Majoranafermionen en wat kun je ermee? Ik zal een poging doen om het een en ander op te helderen. Het wordt een beetje een wat lang verhaal, maar ik hoop dat het verhelderend werkt.

Zoom
Op dergelijk nanodraad is het onderzoek gedaan.

Fermionen
Voordat we met de eerste vraag beginnen, moet je weten wat fermionen zijn en dat vergt wat uitleg. Wetenschappers willen graag dingen in de wereld in categorieën willen opdelen. Een bioloog bijvoorbeeld zou in een dierentuin sommige dieren kunnen classificeren als zoogdieren en anderen als vogels. De dierentuin van natuurkundigen bevat geen dieren maar deeltjes. Er zijn in totaal zeventien verschillende ondeelbare deeltjes die je in ons universum kunt vinden. Verder nog een hele hoop samengestelde deeltjes.

We hebben bijvoorbeeld lichtdeeltjes (fotonen), elektronen, quarks die diep verstopt zitten binnenin een atoomkern en ook het illustere Higgs-boson waar wetenschappers in CERN zo hard naar op zoek zijn. En ook minder bekende deeltjes zoals gluonen, W- en Z-deeltjes, muonen, tau-deeltjes, neutrino’s en vier andere instabiele quarks. Natuurkundigen proberen, net zoals de biologen in de dierentuin, allerlei deeltjes in categorieën te stoppen. Sommige deeltjes hebben vergelijkbare eigenschappen en die stop je dus in de zelfde klasse. Zo bestaat het grootste deel van de zeventien uit fermionen en de rest van de deeltjes zijn van het type bosonen. Fermionen zijn vernoemd naar meneer Fermi en Bosonen naar meneer Bose (je verzint het niet).
 

Zoom
Een kunstenaarsinterpretatie van een fermion en een boson. Links een fermion (spin 5/2) en rechts een boson met spin 2.

Spin
Het belangrijkste verschil tussen bosonen en fermionen is de zogenaamde spin (van het Engelse woord voor draaien). Net zoals deeltjes positief, neutraal of negatief geladen kunnen zijn, zo kunnen we ook spingetallen aan deeltjes toekennen. Hoe spin precies werkt is voor nu niet zo van belang, maar voor een technische introductie kun je hier kijken. Bijvoorbeeld de quarks, neutrino’s, elektronen, muonen en tau’s hebben een spingetal van een 1/2. Het foton, gluon, W- en Z- deeltje hebben spingetal 1. En voor wie het wil weten: Higgs heeft spingetal 0 en het graviton heeft spin 2, maar beide zijn per maart 2012 nog nooit experimenteel waargenomen.

Als deeltjes een halftallig spin hebben (1/2, 3/2, 5/2 etc.) dan noemen we het fermionen, als het deeltje een heeltallig spin heeft (0, 1, 2 etc.) dan noemen we het een boson. Fermionen gedragen zich fundamenteel heel anders dan bosonen en het is daarom vanuit natuurkundig perspectief een heel logisch onderscheid. Nu we iets bekender zijn met fermionen kunnen we de stap maken naar Majoranafermionen.
 

Zoom
Majorana in 1923.

Majorana
Er is namelijk in de categorie fermionen weer een onderscheid te maken. De ene soort noemen we Diracfermionen (vernoemd naar Paul Dirac die een formule maakte die het gedrag van fermionen kan beschrijven) en de andere soort heet Majoranafermionen. De laatste categorie is vernoemd naar Ettore Majorana een Italiaan die uit de Diracvergelijking deze tweede categorie fermionen voorspelde.

Hijzelf is overigens in 1938 een jaar na zijn ontdekking spoorloos verdwenen op een boottocht naar Napels. Zijn lichaam is nooit gevonden en hij had al zijn spaargeld opgenomen vlak voor zijn trip. Maar dat terzijde.
 

Antideeltjes
Majoranafermionen zijn tot op heden nog nooit experimenteel aangetoond. Het belangrijkste verschil tussen Diracfermionen en Majoranafermionen heeft met antideeltjes te maken. Alle zeventien deeltjes in de deeltjesdierentuin hebben ook een antideeltje. Wanneer een deeltje en een antideeltje onder bepaalde omstandigheden bij elkaar komen, heffen ze elkaar op en worden ze beide vernietigd tot pure energie. Diracfermionen hebben een antideeltje dat wel even zwaar is als het deeltje zelf, maar een tegengestelde lading heeft. Zo heeft het negatieve elektron als antideeltje het positieve positron. Voor Majoranafermionen geldt dat ze zelf hun eigen antideeltje zijn. Gek genoeg een eigenschap die normaal voor bosonen geldt en niet voor fermionen. Zo is het antideeltje van het fotonboson ook weer een fotonboson. Klinkt allemaal goed en wel maar hoe ziet het rare nieuwe deeltje van Kouwenhoven er dan uit?
 

Zoom
De foto van de ontdekking van het allereerste antimateriedeeltje. Het positron, voorspelt door Dirac in 1928 en gevonden door Anderson in 1932. Een mooi teken dat kwantummechanica lekker werkt.

Elektronen doen alsof
Het ontdekte Majoranafermion is eigenlijk… Een elektron! Maar elektronen zijn Diracfermionen, hoe kan dit Majoranafermion dan een elektron zijn? Welkom in de wondere wereld van vastestoffysica. In deze tak van de natuurkunde proberen wetenschappers de elektronen zich anders te laten gedragen om wonderlijke nieuwe eigenschappen te vinden. In een normaal metaal bijvoorbeeld stoten elektronen elkaar af omdat ze gelijke lading hebben en ondervinden ze weerstand omdat ze tegen metaalatomen aanbotsen. Typisch elektrongedrag. In een supergeleider echter kunnen elektronen zonder weerstand door een materiaal heen gaan doordat ze samenwerken in paren, zogenaamde Cooperparen. Niet typisch elektrongedrag. Elektronen van dezelfde lading die een paar vormen? Heel bizar binnen de natuurkunde.

Waarom vertel ik dit? Om aan te geven dat losse vrije elektronen gewoon altijd Diracfermionen zijn met een negatieve lading die tegen dingen op kunnen botsen en elkaar afstoten. Maar in een materiaal zijn de elektronen niet vrij om te doen wat ze zelf willen. In een supergeleider bijvoorbeeld zorgen bewegingen in de rijen atomen ervoor dat elektronen samen met een ander elektron een paar gaan vormen en weerstandsloos door het materiaal gaan. Het is het materiaal dat zorgt voor de eigenschappen van de elektronen die erin rondvliegen. Het is het materiaal dat de lijm tussen de elektronen vormt. Dat is de kracht, en het mooie, van de vastestoffysica. Een deeltje dat zich anders gedraagt dan het eigenlijk hoort te doen noemen we een quasi-deeltje. Nog zo’n term die je vaak tegenkomt in wetenschappelijke artikelen.

De groep van Kouwenhoven heeft een nanodraadje indium-antimoon op een supergeleider gelegd en blootgesteld aan een magnetisch veld. Zo kreeg de onderzoeksgroep het voor elkaar om bij heel lage temperaturen de elektronen zich te laten gedragen als Majoranafermionen. In dit extreem dunne ééndimensionale draadje ontstond een bepaald stroompiekje dat eigenlijk alleen door Majoranafermionen kan worden verklaard. Vandaar het voorzichtige optimisme van de groep van Kouwenhoven. Let wel: dit is één voorspelde eigenschap die nu waargenomen is en er moet nog meer werk gedaan worden om zeker te zijn dat het inderdaad Majoranafermiongedrag is. Maar het ziet er hoopgevend uit en levert wellicht in de toekomst een nieuwe Nederlandse Nobelprijs op.
 

Zoom
Het MESA+ instituut in Twente doet het niet met één-dimensionale draden, maar probeert het met twee dimensionale structuren. Ook deze Nederlandse groep is hard op weg.

Hoe kwamen ze erop?
Dus samengevat. Majoranafermionen zijn in 1937 voorspeld en nog nooit in het echt waargenomen. Ze moeten hun eigen antideeltje zijn en dat is een typisch bosonachtige eigenschap. Kouwenhoven had elektronen tot zijn beschikking, die hij bosonnig moet maken. Het is dus belangrijk om de elektronen (met spin half) zo samen te laten werken dat ze een spin van nul (dan zijn het bosonen) hebben. Ik had het al over samenwerkende elektronen in een supergeleider. In een supergeleider vormen de elektronen paren en hun spins worden dan van elkaar afgetrokken tot nul, ze gedragen zich als bosonen. Dit is precies de truc die gebruikt wordt in Delft.

Maar er zijn nog een twee eisen om Majorana’s te maken. Supergeleiders kunnen op verschillende manieren elektronen als paren laten samenwerken. Om ze Majorana-achtig te laten zijn, werkt niet elke supergeleiderlijm. Je hebt een hele specifieke nodig, genaamd p-wave. Het type nanodraadmateriaal waar de groep van Kouwenhoven al mee bezig was bleek, in combinatie met een gewone supergeleider, precies de p-wave lijm te maken die nodig was. Tot slot ontstaan Majorana’s alleen in een ééndimensionale draad (wat Kouwenhoven doet) of in een twee dimensionaal vel (wat bijvoorbeeld de groep van Alexander Brinkman en MESA+ in Twente doen).
 

Zoom
28 februari maakte IBM bekend ook hard op weg te zijn. Wie gaat er winnen?

Robuuste kwantumcomputers
De hoop in de hele natuurkundige gemeenschap is nu dat de majoranafermionen kunnen dienen als onderdeel voor stabiele kwantumcomputers. Deze kwantumcomputers zijn de toekomst van de computers en het elektronenpaar zou als rekeneenheid kunnen fungeren. Alhoewel het al eerder mogelijk was om kwantumcomputers op zeer kleine schaal te maken worden deze computers geplaagd door problemen. Ze zijn zo instabiel dat de computer stuk gaat voordat je een enkele berekening hebt uitgevoerd. Microsoft heeft Kouwenhoven één miljoen euro gegeven voor zijn onderzoek naar de Majorana’s, puur omdat veel wetenschappers verwachten dat je wel stabiele kwantumcomputeronderdelen kan maken met deze Majoranafermionen. De toekomst van de computer is misschien weer veilig gesteld. Eén ding wil ik nog opmerken. Er wordt bijzonder mooie wetenschap bedreven en Nederland loopt vooraan mee in de kwantumrevolutie.