Nieuw nanomateriaal moet teleportatie van Majorana-deeltjes definitief aantonen

Erik Bakkers, hoogleraar Advanced Nanomaterials & Devices, focust zijn onderzoek op een nieuw nanomateriaal. Hiermee hoopt hij de teleportatie van Majorana-deeltjes onomstotelijk aan te tonen. Dat is een essentiële stap voor de bouw van een Majorana-quantumcomputer. Bakkers ontvangt een Advanced Grant van 2,5 miljoen euro van de European Research Council (ERC) om dit onderzoek uit te voeren.

De toekenning van Erik Bakkers bouwt voort op zijn zeer succesvolle ERC Consolidator Grant van 2013. Met die beurs presenteerde hij in 2017 een geavanceerde quantumchip met nano-hashtags  en daarmee in 2018 de lang verwachte zero-bias-piek, die exact dezelfde hoogte heeft als werd voorspeld door de Majorana-theorie.

Bakkers: “Die resultaten zijn extreem belangrijk, maar lieten ons ook zien dat de huidige combinatie van halfgeleider (indiumantimonide) en supergeleider (aluminium) niet ideaal is voor de volgende stap in Majorana-onderzoek.” De overgang tussen deze twee materialen is namelijk niet heel scherp, omdat het aluminium chemisch reageert met het indiumantimonide. Daarnaast zijn er hoge magneetvelden nodig om in de vereiste topologische toestand te komen, dat is erg moeilijk. De topologie moet het Majorana-deeltje namelijk beschermen, waardoor het veel stabieler is dan andere quantumtoestanden.

Robuust kristalrooster

Met de Advanced Grant wil Bakkers daarom een nieuwe materiaalcombinatie ontwikkelen: topologische kristallijne isolator nanodraden van tintelluride gekoppeld aan een supergeleidende laag van lood. Dit materiaal is van nature in een topologische toestand, die wordt gevormd door de symmetrie van het kristalrooster. Omdat het kristalrooster van dit materiaal heel eenvoudig is, hetzelfde als dat van keukenzout, is alles veel meer robuust. Lood is bovendien een sterkere supergeleider dan aluminium en deze combinatie moet het eenvoudiger maken om Majorana-toestanden te vinden en te manipuleren.

Bakkers start het onderzoek, dat valt binnen het vorig jaar opgerichte Center for Quantum Materials and Technology Eindhoven (QT/e), met het groeien van hoge kwaliteit tintelluride-nanodraden. Voor dit groeiproces wil hij bovendien een groeistrategie inzetten die nog niet eerder is gebruikt voor deze materialen. Namelijk een hoog-vacuumtechniek (Molecular Beam Epitaxy), dat moeten zorgen voor extreem zuiver materiaal. 

Teleporteren van eigenschappen

“De resultaten uit het eerdere ERC-onderzoek gaven al sterke signalen voor de aanwezigheid van Majorana-deeltjes. Maar om het bestaan echt aan te kunnen tonen moeten twee dingen bewezen worden: teleportatie en vervlechting. Met deze Advanced Grant wil ik teleportatie bewijzen,” aldus Bakkers. Hiervoor moet een verstrengeld deeltjes-paar aan beide kanten van de nanodraad verschijnen en deze toestanden moeten gekoppeld zijn.

Bakkers: “Als ik bijvoorbeeld het elektrisch veld aan de ene kant wijzig, moet tegelijkertijd het deeltje aan de andere kant dezelfde wijziging vertonen.” Quantumteleportatie vormt de basis van de qubit, de bouwsteen van de Majorana-quantumcomputer. “Die toepassing staat aan de verre horizon,” aldus Bakkers.

Naast Erik Bakkers ontvangt ook Jaap den Toonder, hoogleraar Microsystems, een ERC Advanced Grant. Lees hier meer over zijn onderzoek.