Majoranadeeltje duikt op in Delft

De Delftse wetenschappers waren hun collega’s van instituut CERN in Genève te snel af, zegt Vincent Mourik, die op de vondst hoopt te promoveren bij professor Leo Kouwenhoven van de TU Delft. Samen met zijn van oorsprong Chinese collega Kun Zuo deed de oud-leerling van het Wartburg College in Rotterdam de ontdekking waarmee de vakgroep wereldwijde bekendheid oogstte. De wetenschappers haalden er zelfs het gerenommeerde vaktijdschrift Science mee.

„Een jaar of tien geleden werd het idee geopperd dat het Majoranafermion geen echt elementair deeltje, maar een quasideeltje zou kunnen zijn: het beweegt niet door vacuüm –waarin CERN steeds heeft gemeten– maar het ontstaat in vaste stoffen”, legt Mourik uit. „De laatste twee jaar is wereldwijd een race aan de gang onder fysici om het Majoranadeeltje in vaste stoffen waar te nemen. En ons lukte dat als eerste.”

Een leek duizelt het algauw, wanneer Mourik de vreemde wereld van de kwantumfysica probeert uit te leggen. „Veel elementaire deeltjes hebben een zogeheten antideeltje, een spiegelbeeld. Een elektron bijvoorbeeld heeft als antideeltje een positron, met eigenschappen tegengesteld aan die van het elektron, zoals een negatieve massa, hoe gek dat ook klinkt. Het positron is daadwerkelijk gemeten in straling uit het heelal.” Wanneer een elektron botst met een positron, heffen ze elkaar op: ze verdwijnen terwijl er een lichtflits meetbaar is.

In vaste stoffen, zoals een nanodraadje, heeft een elektron geen positron als antideeltje, maar een zogeheten hole of ”gat”, vervolgt de nanofysicus. „De kunst is ervoor te zorgen dat een elektron en een gat in de nanodraad een wisselwerking met elkaar aangaan. Daarbij heffen ze elkaar deels op, terwijl er twee vreemde deeltjes ontstaan zonder elektrische lading, zonder energie of massa: de langgezochte Majoranadeeltjes. Als we vervolgens een elektron met een exact bepaalde hoeveelheid energie door de nanodraad sturen, kan dit een Majoranadeeltje in de draad passeren. Vervolgens meten we het kenmerkende stroompiekje.”

Buitenbeentje

Hoe ging dat in zijn werk? „We hebben een geavanceerde microchip opgebouwd waarin we het deeltje konden meten.” Mourik haalt er een uit een lade. De hele chip meet niet meer dan 5 bij 5 millimeter. „Kijk, groter zijn ze niet. Voor dat printplaatje hebben de nanotechnici van de TU Eindhoven een draad van de halfgeleider indium-antimonide gemaakt van 500 nanometer dik; duizend keer dunner dan een haar. Daar zijn ze een jaar mee bezig geweest.”

De draad werd gekoppeld aan een supergeleidend element. „Daarin hebben we een minuscuul piekje gemeten van 20 microvolt. Dat was onverklaarbaar, tenzij dat het zou gaan om het Majoranadeeltje. Bij metingen die we daarna hebben uitgevoerd, gedroeg het materiaal zich hetzelfde. Voor ons een sterke aanwijzing dat we het deeltje eindelijk te pakken hadden.”

Het deeltje is in zekere zin een buitenbeentje. De meeste elementaire deeltjes hebben een kenmerkende elektrische lading, massa of energie. Het Majoranadeeltje heeft dat echter niet. „Bovendien ís het zijn eigen antideeltje, zijn eigen spiegelbeeld. Heel bijzonder”, vindt Mourik.

Natuurkundigen van de Stanford Linear Accelerator Center in Amerika hebben daarom het vermoeden dat het om een neutrino gaat, dat ook zijn eigen antineutrino is. Dit jaar hopen ze onderzoek daarnaar te starten.

Supercomputer

Allemaal leuk en aardig, maar zolang het bij een speeltje van wetenschappers blijft, heeft Jan met de pet er niet zo veel aan. De nanofysicus lacht. „We kunnen hiermee mogelijk een flinke stap vooruit zetten in de bouw van kwantumcomputers die de huidige generatie pc’s in rekensnelheid ver overtreffen.”

Mourik neemt als voorbeeld een telefoonboek waarvan alle namen door elkaar zijn gehusseld. „Als je een gewone computer daarin laat zoeken, gaat het apparaat alle namen na totdat hij de juiste heeft gevonden. Die klus duurt ontzettend lang. Een kwantumcomputer heeft die informatie echter in een paar rekenstappen doorgeakkerd.”

Het concept van kwantumcomputers bestaat al een jaar of tien, vertelt de Delftse onderzoeker. „We kunnen al heel simpele exemplaren bouwen. Als het lukt om ze te verbeteren, kunnen we binnen een jaar of twintig, dertig mogelijk ingewikkelder klussen aanpakken waar we nu nog geen raad mee weten. We kunnen dan bijvoorbeeld eiwitmoleculen doorrekenen op hun eigenschappen of razendsnel klimaatmodellen genereren of medicijnen construeren die precies passend zijn voor een persoon of een groep personen.”

Nobelprijs

Hoewel van verschillende kanten is geopperd dat het hoofd van de Delftse vakgroep, Leo Kouwenhoven, de geschiedenis in zal gaan als de ”vader van de kwantumcomputer”, vindt Mourik dat te sterk gesteld. Het onderzoek is mogelijk wel baanbrekend genoeg om hem in aanmerking te laten komen voor de Nobelprijs voor natuurkunde, denkt hij.

Of dat gebeurt, hangt er onder meer van af of andere onderzoeksgroepen de meetresultaten kunnen bevestigen, weet de nanofysicus. „Als het bij één unieke meting blijft, is iedereen deze over tien jaar weer vergeten. Wij hopen echter dat dit het begin is van een heel nieuw vakgebied waarin Delft een leidende rol kan hebben. Als dat lukt, is de kans op een Nobelprijs reëel.”

Ettore Majorana

De Italiaanse natuurkundige Ettore Majorana voorspelt in 1937 het bestaan van een deeltje dat later naar hem is vernoemd. De Italiaan verdwijnt het jaar daarna op mysterieuze wijze tijdens een bootreis van Palermo naar Napels.

Wat er is gebeurd? Niemand die het weet. Sommigen vermoeden dat de toen 32-jarige Italiaan zelfmoord heeft gepleegd. Volgens anderen zou hij zijn ontvoerd of vermoord. De Italiaanse schrijver Leonardo Sciascia houdt het erop dat Majorana een klooster in is gegaan om zich geheel van de wereld af te zonderen. Hoe dan ook: tot op vandaag de dag ontbreekt elk spoor van de geleerde.

Om Majorana’s voorspelling te toetsen, hebben natuurkundigen zich decennialang het hoofd gebroken. Met deeltjesversnellers, zoals die van CERN in Genève hebben ze intensief gespeurd naar het deeltje. Maar zonder resultaat.

Wetenschappers speculeren er ook volop over of het Majoranadeeltje mogelijk een verklaring kan zijn voor het bestaan van zwaartekracht in het heelal.

Op 12 april 2012 maakt de Delftse onderzoeksgroep onder leiding van Leo van Kouwenhoven de vondst van het deeltje wereldkundig. Voor de wetenschappers betekent het dubbel feest: de Italiaanse Majoranavereniging viert dit jaar haar vijftigjarig bestaan.

Kwantumcomputer

Een moderne pc is maar een slak vergeleken met de kwantumcomputer. Waar de gewone computer elke opdracht stap voor stap moet uitvoeren, kan de kwantumcomputer er een aantal naast elkaar laten lopen. En dat gaat ontstellend veel sneller.

Stel, er zijn tien deuren en achter één deur ligt een appel. Ervan uitgaande dat de appel zich achter deur 8 bevindt, zal een gewone computer alle deuren een voor een openen en sluiten totdat de appel is gevonden. Een kwantumcomputer opent alle deuren tegelijk en vindt direct de appel achter deur 8.

De clou zit hem erin dat de kwantumcomputer gebruik maakt van qubits – ”quantum bits”, terwijl een traditionele werkt met bits. Die kunnen de waarde 0 of 1 hebben. Terwijl de computer thuis miljarden bits nodig heeft voor een bepaalde opdracht, kan een kwantumcomputer toe met een paar honderd qubits.

Qubits hebben geen waarde 0 of 1, maar kunnen bijvoorbeeld voor 30 procent 0 en tegelijk voor 70 procent 1 zijn. Een kwantumprocessor kan duizenden berekeningen tegelijk uitvoeren in de tijd dat een traditionele processor er één doet. Het probleem van de kwantumcomputer is dat de qubits nog niet lang genoeg stabiel zijn om zinvolle uitkomsten te krijgen. Met het ontdekte Majoranadeeltje is dat mogelijk te verhelpen.

Majoranadeeltje duikt op in Delft

Groen & duurzaamheid

RD.nl in uw mailbox?