'Nano-hashtags' kunnen definitief bewijs leveren Majorana-deeltjes

Een internationaal team onderzoekers van TU Eindhoven, TU Delft en de Universiteit van Californië – Santa Barbara presenteert vandaag in Nature een geavanceerde quantumchip om het definitieve bewijs voor de mysterieuze Majorana-deeltjes te kunnen leveren, de in 2012 voor het eerst aangetoonde deeltjes die tegelijk hun eigen antideeltje zijn. De chip, die bestaat uit netwerken van ultradunne nanodraden in de vorm van ‘hashtags’, bezit alle kwaliteiten om Majorana-deeltjes van plek te laten verwisselen. Dat wordt gezien als de smoking gun én een cruciale stap om ze als bouwsteen van toekomstige quantumcomputers te gebruiken.

In 2012 was het groot nieuws: onderzoekers van de Technische Universiteit Delft en Technische Universiteit 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.

Smoking gun

De gevonden deeltjes hadden weliswaar eigenschappen die pasten bij Majorana’s, maar een 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 prof.dr. Erik Bakkers, een van de onderzoekers van de TU Eindhoven. “Het gedrag dat we dan zien kan het meest overtuigende bewijs tot nu toe leveren voor het bestaan van Majorana’s.”

Kruispunten

Bakkers en zijn collega’s presenteren vandaag in het Nature-paper een nieuwe meetopstelling waarmee het 'braiden' moet kunnen lukken. 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 een letterlijke ‘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 van indiumfosfide (InP) 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 ultralage 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.

Quantumcomputers

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.

Reis om de wereld

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.

Het artikel in Nature is getiteld ‘Epitaxy of Advanced Nanowire Quantum Devices’ (24 augustus 2017). 
De auteurs zijn: Sasa Gazibegovich1,2; Diana Car1,2; Hao Zhang2; Stijn Balk2; John Logan3; Michiel de Moor2; Maja Cassidy2; Rudi Schmits4; Di Xu2; Guanzhong Wang2; Peter Krogstrup5; Roy Op het Veld1,2; Kun Zuo2; Yoram Vos2; Jie Shen2; Daniël Bouman2; Borzoyeh Shojaei3; Daniel Pennachio3; Joon Sue Lee3; Petrus van Veldhoven1; Sebastian Koeling1; Marcel Verheijen1,6; Leo Kouwenhoven2,7; Chris Palmstrom3; Erik Bakkers1,2. 

(1: Technische Universiteit Eindhoven, 2: TU Delft, 3: Universiteit van Californië – Santa Barbara, 4: TNO, 5: Niels Bohr Instituut (Kopenhagen), 6: Philips Innovation Services Eindhoven, 7: Microsoft Station-Q Delft)

Het onderzoek is mede mogelijk gemaakt dankzij subsidies van de Nederlandse onderzoeksfinanciers NWO en Stichting FOM, de European Research Council en Microsoft Station-Q.