28 jaar oud en op de hielen van het Majoranadeeltje

9 mei 2019

Achter de vorderingen bij één van de grootste uitdagingen van de deeltjesfysica - het aantonen van Majorana-deeltjes - gaat het werk schuil van een jonge promovenda uit Bosnië en Herzegovina, Saša Gazibegović.

image
Saša Gazibegović, promovendus aan de Technische Universiteit Eindhoven en de Technische Universiteit Delft.

Gazibegović ontwikkelde een component met nanodraden die elkaar kruisen, in de vorm van 'hashtags'. In dit component moeten paren van Majorana-deeltjes tot stand komen, en zich ‘vervlechten’. Het waarnemen van dit fenomeen, ook wel braiding genoemd, zou het sluitende bewijs zijn van het bestaan van Majorana-deeltjes. Als dat lukt, is een cruciale stap genomen in de ontwikkeling van Majorana-kwantumcomputers. Het promotie-onderzoek van Gazibegović, in de groep van hoogleraar Erik Bakkers, leidde al tot twee publicaties in het topjournal Nature. Op 10 mei verdedigt ze haar proefschrift op de TU/e, bij de faculteit Technische Natuurkunde.

In 1937 stelde de Italiaanse theoretisch-fysicus Ettore Majorana een hypothese op over het bestaan van een uniek deeltje dat zijn eigen antideeltje is. Dit deeltje, ook wel het 'Majorana-fermion' genoemd, kan ook bestaan als een 'quasi-deeltje', een collectief fenomeen dat zich gedraagt als een individueel deeltje, zoals in golven die zich op het water vormen. Het water zelf blijft op dezelfde plaats, maar de golf kan zich aan de oppervlakte 'verplaatsen', alsof het een enkel deeltje in beweging is. De wetenschap maakte tot het begin van deze eeuw weinig vorderingen bij het aantonen dat het door Ettore Majorana voorspelde deeltje echt bestaat.

Maar wetenschappers van de Technische Universiteit Eindhoven hebben de afgelopen tien jaar grote stappen gezet, mede dankzij het onderzoek van Gazibegović, in samenwerking met de TU Delft, Philips Research en de University of California - Santa Barbara.

Bouwstenen van kwantumcomputers

Majorana-deeltjes worden al lang gezien als de 'heilige graal' van de deeltjesfysicica, vooral vanwege hun potentiële gebruik als kwantumbits, ofwel 'qubits', Dit zijn de basisbouwstenen van kwantumcomputers. In gewone computers kunnen de bits nul of één zijn, maar qubits kunnen 1 en 0 tegelijk zijn. Groepen qubits kunnen daardoor meerdere berekeningen tegelijk uitvoeren, wat kwantumcomputers in theorie veel sneller maakt dan gewone computers. Maar goede qubits blijken bijzonder lastig te maken. Onderzoekers gebruiken nu al andere deeltjes als qubits. Die qubits blijken echter erg gevoelig en fragiel te zijn, met als gevolg dat de kwantuminformatie binnen enkele seconden vervaagt. Daarom wordt reikhalzend uitgekeken naar de komst van Majorana-deeltjes als bouwsteen voor qubits. Die zijn namelijk wel zeer stabiel.

Vervlechten

De stabiliteit van Majorana-deeltjes ontstaat door een speciaal fenomeen dat 'vervlechten' wordt genoemd. Als twee Majorana-deeltjes twee keer van positie wisselen - van hun startpositie naar een nieuwe, en dan terug naar de startpositie - zullen de twee deeltjes ‘vervlecht’ raken en stabieler worden. Het lijkt een beetje op het twee keer van plaats verwisselen van twee losse touwuiteinden, waardoor het touw vervlecht raakt (FIG.1A).

 

image
Majorana-deeltjes (A); topologische supergeleider (B); hashtagvormen (D) op nanodraden (C). Aangepast van: Gazibegovic et al., Nature (2017).

Hashtags

Om Majorana-deeltjes te genereren ontwikkelde Gazibegović eerst zogenaamde 'topologische supergeleiders', nanodraden gemaakt van indiumfosfide (InP) met een laag supergeleider erbovenop (Fig.1B). Wanneer een magnetisch veld wordt aangebracht op zo’n draad, moet er aan elk draaduiteinde een Majorana-deeltje verschijnen.

De promovenda liet zulke nanodraden vervolgens groeien uit een speciaal geëtste ondergrond (Fig.1C, Fig.2), waarbij de draden elkaar kruisen in de vorm van hashtags (Fig.1D, Fig.2). In dit samenstel zouden vier Majorana-deeltjes moeten ontstaan; één op elk kruispunt. Zie hier voor een animatie over dit onderzoek, gepubliceerd in Nature.

 

image
Nano-hashtags (blauw) gegoten op nanodraden (goud) die op indiumfosfide houder (groen) zijn gekweekt.Aangepast van: Gazibegovic et al., Nature (2017).

Beter raakvlak

‘Een van onze grote uitdagingen’, legt Gazibegović uit, 'is het verbeteren van het raakvlak tussen de halfgeleider en de supergeleider. Ruwheid in dit raakvlak is funest voor de Majorana-deeltjes.’ Om dit probleem op te lossen, hebben Gazibegović en haar collega's de topologische supergeleiders in ultrahoog vacuüm gefabriceerd. Dat beschermde de draden tegen blootstelling aan chemische etsmiddelen en maakte het mogelijk componenten van ongeëvenaarde kwaliteit te maken.

De oceaan over

Om de componenten te realiseren, moest Gazibegović heel wat kilometers afleggen met haar nano-hashtags. Zo stak ze verschillende keren de oceaan over. 'De substraten werden in Delft gefabriceerd', legt ze uit, 'en moesten vervolgens in Eindhoven worden overgebracht voor de volgende stap, het laten groeien van de nano-hashtags. Daarna werden er topologische supergeleiders van gemaakt in Santa Barbara, in Californië.'

Rekenkracht

Gazibegović: ‘Mijn proefschrift bevat nieuwe inzichten in de groeimechanismen van nanodraden en ontwerpprincipes om complexe geometrieën te creëren.' Deze doorbraken in de materiaalwetenschap hebben al geleid tot een verbeterde kwaliteit van de Majorana-componenten en bieden grote mogelijkheden voor kwantumtechnologie en de toepassingen daarvan. Gazibegović noemt de medische wetenschap als voorbeeld. 'Medische wetenschappers spenderen enorm veel tijd aan het vergelijken van de effecten van verschillende geneesmiddelen op verschillende aandoeningen. Dit proces kan aanzienlijk worden verkort met kwantumcomputers die voldoende rekenkracht hebben om in één klap alle mogelijke resultaten te bekijken.'

Saša Gazibegović zal haar proefschrift verdedigen op 10 mei aan de TU Eindhoven. De titel van het proefschrift is 'Bottom-up Grown InSb Nanowire Quantum Devices'. Haar promotor is TU/e-hoogleraar Erik Bakkers, haar co-promotor is Leo Kouwenhoven van de TU Delft.

Valentina Bonito
(Science Information Officer)