In 2012 was het groot nieuws: onderzoekers van de TU's van Delft en Eindhoven presenteerden de eerste experimentele aanwijzingen voor het bestaan van het zogeheten Majorana-fermion. Dit deeltje, in 1937 voorspeld door de Italiaanse natuurkundige Ettore Majorana, heeft de bijzondere eigenschap dat het tegelijkertijd zijn eigen antideeltje is. De deeltjes doken op aan de uiteindes van een halfgeleidende draad, in contact met een supergeleidend materiaal

De gevonden deeltjes hadden weliswaar eigenschappen die pasten bij Majorana’s, maar één van de interessantste bewijzen moet volgen uit het van plaats laten verwisselen van twee Majorana-deeltjes, binnen de wetenschap bekend als braiding. “Dat is de smoking gun”, stelt Erik Bakkers, een van de onderzoekers van de TU/e. “Het gedrag dat we dan zien, kan het meest overtuigende bewijs tot nu toe leveren voor Majorana’s.”

Kruispunten

Bakkers en zijn collega’s presenteerden woensdag in het Nature-paper een nieuwe meetopstelling waarmee dit moet kunnen. In de originele meetopstelling in 2012 bevonden twee Majorana-deeltjes zich in een enkele draad, waarbij ze elkaar niet konden passeren zonder elkaar direct te vernietigen. De onderzoekers moesten daarom letterlijk ruimte creëren. In deze opstelling vormen ze met dezelfde soort nanodraadjes kruispunten, waarbij vier kruispunten letterlijk een ‘hashtag’ maken, #, en dus een gesloten kring vormen waarlangs Majorana’s kunnen bewegen.

De onderzoekers bouwen hun opstelling letterlijk vanuit het niets op. De nanodraadjes laten ze groeien uit een speciaal geëtst substraat, zodat ze precies het gewenste netwerk vormen. Vervolgens blazen ze hier een stroom aluminiumdeeltjes langs en ontstaan op specifieke plekken laagjes aluminium op de draadjes - de contacten waar de Majorana-deeltjes ontstaan. Plekken die ‘in de schaduw’ liggen van andere draadjes blijven onbedekt.

Sprong in kwaliteit

Het hele proces gebeurt in vacuüm en bij ultra-lage temperatuur. “Dit zorgt voor hele schone, zuivere contacten”, zegt Bakkers. “We maken hiermee een grote sprong in kwaliteit van dit soort quantum devices.” De metingen die ze tonen van een aantal elektronische en magnetische eigenschappen demonstreren dat alle ingrediënten in huis zijn om de Majorana’s om te wisselen.

Als het lukt om de deeltjes om te wisselen, vangen de onderzoekers meteen twee vliegen in één klap. Majorana’s worden vanwege hun robuustheid gezien als de ideale bouwsteen voor toekomstige quantumcomputers, die veel berekeningen tegelijkertijd kunnen uitvoeren en daarmee vele malen sneller zijn dan de huidige computers. Het omwisselen van twee Majorana-deeltjes zou de basis kunnen vormen van een qubit, de rekeneenheid van deze computers.

Interessant detail is dat de devices over de hele wereld zijn gereisd om ze te maken. Het begon in Delft met het etsen van het substraat, vervolgens naar Eindhoven voor het groeien van de nanodraadjes, en naar Santa Barbara voor het maken van de aluminiumcontacten. Uiteindelijk kwamen ze via Eindhoven weer terug naar Delft voor de metingen.

Bron: Persteam TU/e