Nederlands Tijdschrift voor Natuurkunde

De moeizame jacht op Majorana’s

NTvN 89-01

Het eerste nummer van 2023 is uit!

De nieuwe Deltares GeoCentrifuge

Een dijk testen met 150 keer de zwaartekracht met de nieuwe Deltares GeoCentrifuge: lees er alles over in het januarinummer van het NTvN.

Vorige Volgende

Artikel

De moeizame jacht op Majorana’s

Gepubliceerd: 1 January 2023 13:00

In maart 2021 werd een spraakmakend Nature-artikel over Majoranadeeltjes teruggetrokken [1]. In dat artikel uit 2018 stelde een onderzoeksgroep onder leiding van Leo Kouwenhoven van de TU Delft, dat ze de aanwezigheid van topologische Majoranadeeltjes aangetoond had [2]. Die zouden een rol kunnen spelen in de ontwikkeling van een quantumcomputer. Na kritiek vanuit de wetenschappelijke gemeenschap bleek dat de conclusie niet standhield. Een jaar later onderging een tweede Nature-artikel van de onderzoeksgroep hetzelfde lot [3]. Wat maakte deze terugtrekkingen noodzakelijk?

Auteur: Dorine Schenk.

Het bestaan van Majoranadeeltjes, of Majoranafermionen, werd in 1937 voorspeld door de Italiaanse theoretisch fysicus Ettore Majorana [4], die een jaar later spoorloos verdween tijdens een bootreis van Napels naar Palermo. Majoranadeeltjes zijn identiek aan hun eigen antideeltje. In de afgelopen tachtig jaar is er geen enkel deeltje gevonden dat deze Majorana-eigenschap overtuigend tentoonspreidt. Van alle bekende elementaire deeltjes zou alleen het neutrino deze eigenschap nog kunnen hebben.

Ongeveer twintig jaar geleden lieten theoretici zien dat er ook niet-elementaire Majoranadeeltjes kunnen bestaan [5]. Die deeltjes zouden ontstaan door het collectieve topologische supergeleidende gedrag van deeltjes in vastestofsystemen. In zulke systemen kun je namelijk een equivalent hebben van een deeltje-antideeltjepaar. Een elektron is het deeltje en het antideeltje is een ‘gat’: een netto positief geladen ‘lege’ toestand waar een elektron ontbreekt. In een supergeleidend metaal – waarin elektronenduo’s Cooperparen vormen – is het mogelijk om een deeltje zonder lading samen te stellen dat bestaat uit een half elektron en een half gat. Dit samengestelde deeltje is gelijk aan zijn antideeltje en dus een Majoranadeeltje. Omdat er geen halve elektronen bestaan, zal er altijd een even aantal Majoranadeeltjes aanwezig zijn.

Deze Majoranadeeltjes kunnen bij energie nul binden aan een defect in de supergeleider. Dat kan het uiteinde van een nanodraadje zijn of een magnetische vortex (wervel). Dit worden Majorana zero modes (MZM) genoemd. Als aan de uiteinden van deze nanodraadjes Majoranadeeltjes opgewekt kunnen worden, dan zijn die topologisch beschermd: de eigenschappen van het materiaal en de elektronen erin zorgen ervoor dat ze geen last hebben van verstoringen. Dat betekent dat die Majoranadeeltjes zouden kunnen dienen als robuuste qubits, de bouwstenen van een quantumcomputer.

Lees het volledige artikel in het januarinummer van het NTvN of klik hier.