Nu zijn wij weer

Leidse theoretici gaan de ontdekking van Majorana-deeltjes doorrekenen

Door Bart Braun

‘De experimentele natuurkundigen hebben hun zet gedaan, en nu zijn de theoretici weer aan de beurt.’ Twee Leidenaren gaan de metingen van de Delftse hoogleraar Leo
Kouwenhoven analyseren. ‘We moeten samen gaan begrijpen wat er aan de hand is.’

Wie ook maar een milde belangstelling heeft voor het nieuws uit de wetenschap, zal het niet zijn ontgaan: de Majorana-fermionen. Delftse en Eindhovense natuurkundigen onder leiding van prof.dr. Leo Kouwenhoven kondigden vrijdag op de website van Science aan dat hun metingen erop wezen dat ze de deeltjes hadden aangetroffen in hun nanodraadjes.

Kouwenhoven mocht aanschuiven bij premier Rutte en bij Pauw & Witteman. Sommigen begonnen zelfs al over de Nobelprijs.

Zover is het nog niet: Nobelprijzen laten sowieso vele jaren op zich wachten, en Kouwenhovens ontdekking is daarnaast nog met teveel onzekerheid omgeven. Niet voor niets heet zijn Science-publicatie ‘sporen van Majorana-fermionen’ en niet ‘bewijs voor Majorana-fermionen’. In Het Parool kondigde Kouwenhoven aan dat hij samen met Leidse wetenschappers verder zou gaan werken aan zijn metingen.

Michael Wimmer en Anton Akhmerov zijn twee van die Leidenaars. Het zijn theoretisch natuurkundigen uit de groep van hoogleraar theoretische natuurkunde Carlo Beenakker, en ze kijken uit naar de samenwerking.

Eerst even de basis. Het spul om ons heen – lucht, poezen, de aardbol - bestaat uit spul dat ontieglijk veel kleiner is. Natuurkundigen delen dat kleinere spul op in twee categorieën. Aan de ene kant de bosonen, vernoemd naar Satyendra Nath Bose. Aan de andere kant de fermionen, die vernoemd zijn naar Enrico Fermi. Het verschil tussen bosonen en fermionen zit hem in een eigenschap die natuurkundigen ‘spin’ noemen: piepkleine deeltjes als elektronen lijken zich te gedragen alsof ze om hun as draaien. Bosonen hebben andere spin-waarden dan fermionen. Elektronen en de zogeheten quarks zijn allemaal fermionen; als je die in de juiste verhoudingen samenvoegt, krijg je atomen. En als je atomen in de juiste verhoudingen samenvoegt, krijg je een poes, of een aardbol.

Natuurkundigen beschrijven de eigenschappen van al die superkleine deeltjes in een stelsel van wiskundige vergelijkingen die we tegenwoordig het standaardmodel noemen. Meneer Majorana – een promovendus van Fermi – liet 70 jaar geleden zien dat er volgens die wiskunde een bepaald soort deeltje moet kunnen bestaan: het Majorana-fermion. En dat is wat Kouwenhoven heeft ontdekt, toch?

Niet helemaal: ‘Wat Leo gevonden heeft is niet precies waar Majorana het over had, en het zijn eigenlijk ook geen fermionen’, aldus Akhmerov. Mensen in de vastestoffysica laten graag gewone materie zich gedragen op een ongewone manier, legt hij uit. De elektronen in Kouwenhovens nanodraadje gedragen zich alsof er een Majorana aanwezig is. Dat betekent echter niet dat zijn Majorana’s ook echt op zichzelf staande dingen zijn, zoals Ettore Majorana dat voor zich zag. Wimmer: ‘Je kunt het vergelijken met de Cooper-elektronenparen in een supergeleider. Supergeleiders werken doordat twee elektronen samen gaan werken als één ding, een Cooperpaar. Maar dat Cooperpaar is niet echt een ding als een elektron; het is een quasi-deeltje.’ Net als deze Majorana’s.

Akhmerov tovert een plaatje tevoorschijn op zijn laptop. ‘Deze afbeelding zat bij het Science-artikel, maar de media hebben die nauwelijks hem gebruikt omdat hij er zo saai uitziet. De piek in het midden komt door de Majorana’s, zeggen de Delftenaren. Ze hebben namelijk alle andere verklaringen die voor de hand lagen uitgesloten. Dat is geen bewijs dat het wél Majorana’s zijn; het is een uitspraak over de waarschijnlijkheid ervan.’ Wimmer: ‘Het lijkt nou misschien alsof we Leo’s vindingen bagatelliseren, maar dat is niet zo. Die club uit Delft heeft geweldig werk verricht.’

Akhmerov: ‘De experimentele natuurkundigen hebben hun zet gedaan, en nu zijn de theoretici weer aan de beurt. Wij gaan dit spel zeker meespelen, en kijken of we deze metingen goed kunnen verklaren in termen van Majorana’s: zou je verwachten dat die deeltjes in deze omstandigheden dit zouden doen? We moeten samen begrijpen wat er aan de hand is.’

Een van de redenen dat die Majorana’s zo interessant zijn, en de reden dat Microsoft zoveel geld in het onderzoek van Kouwenhoven stak, is dat je ze in theorie kan gebruiken om een quantumcomputer mee te bouwen. Gewone computers werken met nullen en enen, de zogeheten bits. In een quantumcomputer kan zo’n bit echter tegelijk nul en één zijn, en dat zorgt er dan weer voor dat je bepaalde problemen veel sneller op kan lossen dan met de krachtigste gewone computers: simulaties van hoe eiwitten zich opvouwen, of van quantummechanische verschijnselen, bijvoorbeeld. Majorana-fermionen zijn handig omdat quantumcomputers enorm gevoelig zijn voor verstoringen. De Majorana’s worden in paren gevormd, vangen een elektron in, en gaan dan uit elkaar naar de twee kanten van het Delftse nanodraadje. Volgens de wondere wetten van de quantummechanica ontstaat dan een bijzondere situatie: eigenlijk zit het elektron nu in allebei de Majorana’s tegelijk. Als je die twee Majorana’s laat opheffen, komt er of wel, of niet een elektron tevoorschijn. ‘Dat maakt ze geschikt als quantum-bit’, aldus Akhmerov.

Het feit dat de Delftse Majorana’s quasi-deeltjes zijn die vooralsnog alleen kunnen bestaan in een indium-antimoondraadje van net boven het absolute nulpunt, zien de Leidse fysici niet als een probleem. Akhmerov: ‘Nou en? Dan houd je je computer toch koud?’ Wimmer: ‘De elektronen in je computer van nu doen het ook niet zonder draad.

Deel dit bericht: