Strepen verraden Majoranadeeltjes
Majoranadeeltjes hebben wat minder goede publiciteit achter de rug, nu een publicatie over hun ontdekking in ultrakoude nanodraadjes is teruggetrokken. Maar Leidse natuurkundigen hebben een nieuwe deur geopend naar de detectie van Majorana's in een ander experimenteel systeem: Fu-Kane heterostructuren, melden ze in Physical Review Letters.
Majoranadeeltjes zijn quasideeltjes: collectieve bewegingen van deeltjes (elektronen in dit geval) die zich gedragen als losse deeltjes. Als ze echt gedetecteerd zouden worden, kunnen Majorana's gebruikt worden om stabiele quantumcomputers te bouwen.
'Het zijn quantummechanische superposities', legt Gal Lemut, een van de auteurs, uit. Deze superpositie -een speciaal soort combinatie- bevat een elektron en een gat: een plaats in het kristalrooster waar een elektron juist ontbreekt.
'Ze hebben geen elektrische lading, geen spin, geen energie', zegt co-auteur Michał Pacholski. Je zou kunnen zeggen dat het ontbreken van karakteristieke eigenschappen een van de karakteristieke eigenschappen van het Majoranadeeltje is. 'Daarom is het ook zo moeilijk om ze te detecteren', zegt Pacholski.
Plakkende Majorana's
Een van de eerste materialen waarin hun bestaan voorspeld is, is de zogeheten Fu-Kane-heterostructuur. 'Dat is een topologische isolator bovenop een supergeleider', zeg Pacholski. Topologische isolatoren, die elektrische stroom geleiden, maar alleen over het oppervlak, zijn een belangrijk onderwerp van recent natuurkunde-onderzoek. Supergeleiders, die stroom geleiden zonder weerstand, staan al veel langer in de belangstelling.
Eerder onderzoek door Liang Fu en Charles Kane voorspelde dat Majorana's opduiken als een Fu-Kane-heterostructuur in een magnetisch veld geplaatst wordt. Magnetische velden kunnen niet in supergeleiders binnendringen (het zogeheten Meissner-effect). Dit betekent dat de magnetische veldlijnen het materiaal alleen in pilaar-vormige vortexen doorkruisen, waar plaatselijk de supergeleiding wegvalt. Fu en Kane voorspelden dat de Majorana's aan deze vortexen verbonden zullen zijn. Tot zover kloppen experimenten met hun voorspellingen, maar definitief bewijs voor Majorana's ontbreekt nog wel.
Een welkome comeback
De Leidse theoretisch natuurkundigen laten nu zien dat een elektrische stroom door het materiaal een cruciaal verschil kan maken: 'De Majorana's delocaliseren dan', zegt Lemut, 'wat betekent dat ze zich uitspreiden buiten hun vortexen, zodat ze elkaar tegen kunneen komen.'
Aanagezien Majorana's hun eigen antideeltjes zijn, en elkaar dus kunnen annihileren, zou je denken dat deze interactie ze vernietigt. Maar volgens de theoretisch natuurkundigen is dat niet het geval. 'Ze blijven bestaan als afzonderlijke Majorana's', zegt Pacholski, 'wat eigenlijk best verrassend is.'
De ontdekking zou de detectie en de toepassing van Majorana's een stapje dichterbij kunnen brengen. Pacholski: 'De volgende stap is het overtuigen van een experimenteel natuurkundige om onze voorspellingen te toetsen. Het is moeilijk om Majorana's aan te tonen, maar ons artikel biedt wel een duidelijke handtekening: de gaten en elektronen in de Majorana's zouden met elkaar interfereren, en dat geeft een heel karakteristiek gestreept patroon.
Als dat patroon gezien zou worden, zou dat een duidelijke en welkome comeback zijn voor het Majoranadeeltje.