In 1937 voorspelde de Italiaanse fysicus Ettore Majorana een nieuw fundamenteel deeltje, dat later naar hem is vernoemd: het Majorana-deeltje. Dit deeltje heeft de bijzondere eigenschap dat het zijn eigen antideeltje is.

Majorana-quasideeltjes verschijnen onder zeer specifieke omstandigheden in materialen. Als een nanodraad die van een halfgeleider is gemaakt met een supergeleidend materiaal wordt verbonden, nemen onderzoekers bij bepaalde elektrische en magnetische velden een zogenoemde ‘zero-bias-piek’ waar. Dit signaal is een belangrijk kenmerk van de aanwezigheid van Majorana-deeltjes.

In 2012 werd die ‘zero-bias-piek’ voor het eerst gerapporteerd door een team onder leiding van Leo Kouwenhoven (QuTech Delft, Microsoft) en TU/e-hoogleraar Advanced Nanomaterials & Devices Erik Bakkers. Die oorspronkelijke experimenten zijn nu herhaald met betere materialen.

Vervlechten

Het gevonden signaal is volgens Bakkers nu precies wat de theorie voor het deeltje voorspelt. “Daarmee sluiten we diverse andere verklaringen voor het optreden van een dergelijke piek uit”, legt hij uit. Een definitief bewijs van het Majorana-deeltje is het volgens hem echter nog niet. “Daarvoor moet je de deeltjes van plaats laten verwisselen; ze als het ware vervlechten.”

Afgelopen augustus presenteerde het team een nieuwe nanostructuur in de vorm van een hashtag (#), waarmee dat vervlechten mogelijk moet zijn. Toch verwacht Bakkers dat het nog wel een paar jaar kan duren voordat daarmee het definitieve bewijs voor de Majorana’s geleverd is. “Maar uit deze metingen blijkt dat we met onze verbeterde quantumchips wel een forse stap in de goede richting hebben gezet.”

Grensvlak

De bijzondere bijdrage van zijn groep aan de TU/e bestaat volgens Bakkers uit de hoge kwaliteit van de nano-materialen die in Eindhoven in de cleanroom kunnen worden gemaakt. “We maken halfgeleidende nanodraden van indiumantimonide, waarop weer supergeleidende draden worden aangebracht. Dat gebeurde voorheen in twee stappen, maar het lukt nu in één keer, in een ultrahoog vacuüm, waardoor het grensvlak tussen beide materialen heel schoon blijft.”

Indiumantimonide is een superzware variant van de zogeheten III-V- halfgeleiders, waarvoor aan de TU/e veel expertise en faciliteiten aanwezig zijn. Bakkers: “Doordat dit materiaal zo zwaar is, vergelijkbaar met lood, heeft het eigenschappen die het bij uitstek geschikt maken voor het vormen van Majorana-deeltjes, zoals een hoge mobiliteit van ladingsdragers en een sterke spin-baan-koppeling.”

Qubit

Het ultieme doel van het door Microsoft gesponsorde team van wetenschappers uit Delft, Eindhoven, Maryland en Santa Barbara is de realisatie van een qubit, een bit voor een quantumcomputer, op basis van Majorana-deeltjes. Dat zou volgens Bakkers een enorme stap zijn naar een serieuze quantumcomputer. “Onlangs presenteerde Google een quantumcomputer met 72 qubits, dus in die zin zijn zij verder dan wij. Maar hun techniek is eigenlijk niet op te schalen omdat die qubits zo groot zijn: een echte computer op basis van die technologie zou tonnen wegen. Met Majorana’s zou je daarentegen in principe een hanteerbare quantumcomputer moeten kunnen bouwen.”