Al sinds 1937 is men er naar op zoek, maar nu denken Nederlandse natuurkundigen hem voor het eerst te hebben gezien: het Majorana-fermion.
"Hebben we Majorana-fermionen gezien? Ik zou zeggen: een voorzichtig ja.” Met die woorden liet de Delftse hoogleraar en Spinozaprijswinnaar Leo Kouwenhoven de aanwezigen van een grote natuurkundeconferentie begin maart in verwondering achter. Direct werd Kouwenhoven belaagd door zijn collega’s, als mensen die voor een trein dringen tijdens een drukke spits, zo omschreef een verslaggever van het tijdschrift Nature het gebeuren.
Exotisch deeltje
Vanwaar deze opwinding? Ga maar na: het Majorana-fermion is een deeltje waar al bijna tachtig jaar naar wordt gezocht. In 1937 voorspelde de Italiaanse natuurkundige Ettore Majorana het bestaan ervan, maar het is nog nooit waargenomen. Bovendien is het één van de meest exotische deeltjes denkbaar. Waarom? Om dat in te zien, moet je het een en ander weten over fermionen, bosonen en antimaterie.
Je kunt de kleine deeltjes waarmee onze natuur is opgebouwd in twee categorieën verdelen: fermionen en bosonen. Het verschil tussen de twee zit in hun spin: de quantummechanische eigenschap die staat voor het eigen magneetveld dat een deeltje creëert.
Precies begrijpen hoe dat zit hoeft nu niet. Maar dit leidt er bijvoorbeeld toe dat in het standaardmodel de deeltjes waaruit materie bestaat, zoals elektronen en quarks, fermionen zijn, en de deeltjes die de krachten overbrengen, zoals fotonen (elektromagnetisme) en gluonen (sterke kernkracht), bosonen zijn.
Fermionen en bosonen verschillen in meerdere opzichten van elkaar, maar nu gaat het even om het onderdeel antimaterie; oftewel het idee dat elk deeltje een antideeltje heeft met tegengestelde lading. Het negatief geladen elektron heeft bijvoorbeeld een positief geladen positron als antideeltje. Komt een deeltje zijn eigen antideeltje tegen, dan vernietigen ze elkaar. Maar het wordt lastig als een deeltje neutraal is, en dus geen lading heeft. In het geval van een boson, is het deeltje dan tegelijkertijd zijn eigen antideeltje. Bij fermionen geldt dat normaal gesproken niet: een antineutron is bijvoorbeeld een ander deeltje dan een neutron.
Nu komt Ettore Majorana in het verhaal. Hij bedacht – na bestudering van de theorieën over fermionen – dat er ook neutrale fermionen moesten bestaan die wél hun eigen antideeltje zijn. Letterlijk beschreef hij de situatie waarin een deeltje en zijn antideeltje niet van elkaar te onderscheiden zijn. In wezen zijn de deeltjes dan dus een en dezelfde. Naar deze ‘Majorana-fermionen’, zoals ze later genoemd zouden worden, is intensief gespeurd, zoals in deeltjesversnellers, maar nog nooit is zo’n deeltje in het echt waargenomen.
Mooie aanwijzing
Tot nu, zo lijkt het. De Delftse groep van Kouwenhoven denkt een glimp van Majorana-fermionen in hun laboratorium te hebben gezien. De onderzoekers legden een elektrisch circuit aan door nanodraden van indium-antimonide, gekoppeld aan een supergeleidend materiaal. Het geheel stelden ze bloot aan een magneetveld. Metingen aan de elektrische geleiding op het grensvlak van de nanodraden met de supergeleider deden vermoeden dat hier Majorana-fermionen gecreëerd waren. Een veranderend magneetveld had het effect op de geleiding dat je zou verwachten in de aanwezigheid van de illustere deeltjes.
De Twentse hoogleraar Alexander Brinkman, die zelf ook speurt naar Majorana-fermionen, is zoals verwacht enthousiast over het werk van zijn Delftse collega’s. “Ja, dit is super. Het is een mooie aanwijzing, en goed voor het Nederlands onderzoek.” Brinkman zoekt zelf, naast veel andere wetenschappers, in zogeheten topologische isolatoren. “Het werk van de Delftse groep staat op zichzelf. Ze zijn al een aantal jaar bezig met deze nanodraden.”
Nu is volgens Brinkman meer bewijs nodig. Hij wijst op een artikel van de Amerikaanse natuurkundige Sankar Das Sarma (Universiteit van Maryland), waarin theoretisch de eigenschappen worden voorspeld van een Majorana-fermion in aan een supergeleider gekoppelde nanodraadjes. “De groep van Kouwenhoven heeft er nu één daarvan geverifieerd”, zegt Brinkman. “Het is nu zaak dat voor de andere eigenschappen ook te doen. Daarom sprak Kouwenhoven van een ‘voorzichtig ja’.”
Quantumcomputer
Het is niet alleen voor de wetenschap groot nieuws. Ook bij softwaregigant Microsoft zal wellicht de champagne vloeien. Het bedrijf stak afgelopen jaar een miljoen euro in Kouwenhovens onderzoek. Waarom een bedrijf als Microsoft daar interesse in heeft? Heel simpel: deze Majorana-deeltjes zouden van grote waarde kunnen zijn voor nieuwe krachtige computers, zogeheten quantumcomputers.
De bits in onze huidige computers nemen alleen de waarden 0 of 1 aan. Een quantumbit – kortweg qubit – kan tevens over een combinatie van die waarden beschikken. Computers op basis van deze qubits hebben daardoor in theorie een veel grotere rekenkracht. Maar qubits zijn fragiele beestjes. Ze raken snel verstoord door de omgeving en verliezen dan hun bijzondere eigenschappen.
Pogingen om een geheugen van qubits te bouwen lopen steevast tegen dit probleem aan. Gedacht wordt dat Majorana-fermionen veel minder last hebben van verstoringen als ze gebruikt worden als qubit. Mocht het zover komen, dan heeft Kouwenhoven goede papieren voor een Nobelprijs. Trouwens, die heeft hij met deze vondst überhaupt al, als die stand houdt.
Quasi-deeltjes
Het is misschien goed om duidelijk te maken dat de Delftse fysici de Majorana-fermionen niet letterlijk ‘gezien’ hebben. Ze hebben bijvoorbeeld geen microscopische foto met daarop het deeltje afgebeeld. Wat dan wel? De onderzoekers hebben effecten in hun materiaal gemeten die overkomen alsof ze door interactie van Majorana-fermionen en het materiaal veroorzaakt zijn. In de natuurkunde spreekt men dan van een zogeheten ‘quasi-deeltje’, zeg maar iets dat zich voordoet als een deeltje. Om Majorana-fermionen echt te ‘zien’ in de natuur lijken deeltjesversnellers de beste plek om te zoeken.
