Een deeltje van niks – een reconstructie

Op 22 februari 2010 nam prof.dr.ir. Leo Kouwen-hoven op zijn gemak achter de computer wat artikelen door. Hij bracht zijn sabbatical door in New York en hij genoot ervan weer tijd te hebben om op de website arxiv.org te kijken wat anderen voor onderzoek deden. Voor die ‘ochtendkrant voor fysici’ had hij daarvoor te weinig tijd gehad. Kouwenhoven wilde uitzoeken wat ‘the next new thing’ was en bezocht daarvoor vanuit New York ruim twintig onderzoeksgroepen verspreid over de Verenigde Staten. Het artikel dat op die ochtend zijn aandacht trok heette: ‘Majorana Fermions and a Topological Phase Transition in Semiconductor-Superconductor Heterostructures’. ‘Majorana’ zei hem niet veel, maar de supergeleidende nanodraadjes waarvan verderop sprake was des te meer. Dat was een expertgebied van zijn vakgroep quantumtransport bij Technische Natuurwetenschappen in Delft.

Next new thing

Begin maart 2010 sprak Kouwenhoven collega’s op de March Meeting van de American Physical Society, en hij begon te denken dat Majorana’s in halfgeleiders inderdaad wel eens een ‘next new thing’ konden worden.

Majorana’s, zo begreep hij, waren hun eigen antideeltjes. Zo’n vreemd verschijnsel was al in 1937 voorspeld door de briljante Italiaanse fysicus Ettore Majorana die kort daarna op mysterieuze wijze verdween. Maar recent was zijn naam weer opgedoken toen fysici manieren bedachten om zulke deeltjes van niets zelf te maken in een combinatie van halfgeleiders en supergeleiders.

Het idee is dat je bij halfgeleiders een elektron (-) en een gat (+) als antideeltjes kunt beschouwen. Maar een Majorana mag geen lading en geen spin hebben (anders kan het immers niet zijn eigen antideeltje zijn). Door het gat en het elektron beide op het nulenergieniveau te brengen van de supergeleider, zou het mogelijk zijn een Majorana samen te stellen uit een half gat en een half elektron. Het artikel van

Roman Lutchyn dat Kouwenhoven op arxiv.org vond, schetste een experiment waarmee Majorana’s te detecteren moesten zijn.

Interesse van Microsoft

Terug in zijn appartement schreef Kouwenhoven in overleg met postdoc dr. Sergey Frolov een voorstel voor Stichting Fundamenteel Onderzoek der Materie (FOM) om op jacht te gaan naar Majorana’s. Het stuk werd daar met grote belangstelling ontvangen en onmiddellijk goedgekeurd met financiering voor twee promovendi.

Ondertussen belde ook een andere financier: Microsoft had van zijn plannen gehoord en wilde praten. De eerste uitnodiging moest Kouwenhoven afslaan. Zijn moeder (80) was over vanuit Nederland en dat had toch even voorrang.

Microsoft had om een praktische reden interesse in Majorana’s. Er bestonden redenen om aan te nemen dat de deeltjes in halfgeleiders te gebruiken zouden zijn als stabiele quantumbits – de bouwstenen van een toekomstige quantumcomputer.

Familiebezoek

In juni 2010 kwam het, nota bene op het strand van Santa Barbara, tot een overeenkomst met Microsoft. Een handdruk van Michael Freedman van de universiteit van Californië en hoofd van de Microsoft Research Group bezegelde de ondersteuning van de softwaregigant aan het onderzoek: Kouwenhoven kon aan de slag.

In de zomer van 2010 keerde Kouwenhoven terug naar Nederland. Uitgerust, opgefrist en bruisend van de nieuwe ideeën rekruteerde hij zijn onderzoeksteam: hij vroeg prof.dr. Erik Bakkers van de TU/e om nanodraden te laten groeien van halfgeleidermateriaal – zijn specialisme is om superzuivere halfgeleiderkristallen te laten groeien op goudkorreltjes. Net afgestudeerd ingenieur Vincent Mourik trok hij aan als promovendus op het project, net als ir. Kun Zuo, die twee maanden later begon omdat hij na zijn afstuderen op familiebezoek naar China was.

Ander materiaal

Het begin van het onderzoek liep voorspoedig: in het najaar van 2010 kregen Mourik en Kun de eerste nanodraadjes van indiumarsenide binnen vanuit Eindhoven. Ze bevestigden er contactjes aan, koelden het geheel af tot 273 graden onder nul en controleerden of het halfgeleiderdraadje supergeleidend werd. Dat bleek het geval.

Ondanks de vlotte start stapten de onderzoekers begin 2011 over naar een ander materiaal: indiumantimoon of InSb. De reden daarvoor was dat elektronen in dit materiaal in een magneetveld een vijf maal groter onderscheid laten zien tussen verschillende spintoestanden. Daardoor kan het magneetveld (dat supergeleiding makkelijk verstoort) kleiner blijven.

Het was misschien een verstandige keuze om over te stappen om indiumantimoon, maar voor de onderzoekers werd het een hel. Want wat met indiumarsenide zo gemakkelijk ging (contactjes erop, afkoelen en supergeleiding meten), dat lukte met het nieuwe materiaal ‘voor geen meter’.

Vergeefse pogingen

Anders dan het vorige materiaal vormde indiumantimoon een isolerend oxidelaagje dat een goed supergeleidend contact in de weg stond. Dus probeerden promovendi Mourik en Kun vanaf januari 2011 dat op allerlei manieren toch voor elkaar te krijgen. Elke poging duurde drie tot vier dagen: een nanodraadje op de chip bevestigen, een structuurtje erop maken en contactjes bevestigen, afkoelen en meten. Keer op keer lukte het niet. Dan stak Kouwenhoven zijn hoofd om de deur: “Heb je al supergeleiding?”. Nee dus. Wel ging het steeds vlotter. Soms haalden de onderzoekers twee tot drie nieuwe pogingen per week. Maar telkens hetzelfde resultaat: niks. Uiteindelijk, na zo’n twintig pogingen in drie maanden tijd, besloten Zuo en Mourik het nanodraadje in dezelfde vacuümkamer te etsen als waarin de contactjes opgedampt worden. Zo kon zich tussentijds geen oxidelaag vormen. Eind maart 2011 werden hun inspanningen beloond. Eindelijk constateerden ze supergeleiding in een nanodraadje van indiumantimoon.

Miljoen euro

Eind mei 2011 maakte FOM bekend dat ze de financiering van Microsoft ging matchen en hiervoor een gezamenlijk FOM-Microsoft-TU Delft ‘Industrial Partnership Programma’ ging oprichten. De Volkskrant schreef op 3 juni 2011: ‘Microsoft en TU Delft werken samen aan quantumcomputer’. De krant meldde ook dat Microsoft er een miljoen euro in had geïnvesteerd. Dat bedrag, dat later door iedereen werd overgenomen, is volgens Kouwenhoven uit de duim gezogen. Hoewel Microsoft geen mededelingen doet over de onderzoeksbijdrage, lijkt de orde van grootte wel te kloppen.

Na de zomer van 2011 besloten de onderzoekers niet twee maar één supergeleidend contact te gebruiken. Dit omdat in een supergeleidend nanodraadje een Majoranadeeltje moeilijk is aan te tonen. Naar verwachting zou het Majoranadeeltje zich manifesteren als een piekje in de geleiding bij nul volt over het draadje. Maar dat piekje zou in een supergeleidende nanodraad gemaskeerd worden door superstroompjes. Door één gouden en één Niobiumcontact te maken, wat wel meer werk is, konden de onderzoekers supergeleiding door de nanodraad voorkomen.

Helaas werkten de eerste chips die volgens de nieuwe inzichten gemaakt waren slecht. Pas in december 2011 kwamen Mourik en Kun met een verbeterde versie die al bij een tweede poging goed bleek te werken.

Uniek gedrag

Het was tussen Kerstmis en Nieuwjaar 2011 dat Zuo samen met Kouwenhoven voor het eerst een glimp opving van Majoranagedrag. Mourik, die de kerstvakantie bij vrienden en familie doorbracht, legt uit wat ze zochten: “Bij een spanning van nul tussen de contacten kun je iets meer stroom door het draadje sturen. Bij een veranderend magneetveld en veranderende omgevingsspanningen moet het piekje daar blijven zitten. Dat is uniek gedrag.”

In januari 2012 testten Zuo en Mourik het geleidings-piekje op allerlei manieren. En langzaam groeide het vertrouwen dat ze een Majoranadeeltje in het vizier hadden. “Dat was een geleidelijk proces”, vertelt Mourik. “Bij de supergeleiding in het indiumantimoondraadje was in een keer duidelijk dat het gelukt was. Nu ging dat veel geleidelijker.”

Geruchtenstroom

Begin februari 2012 voelde Kouwenhoven zich voldoende zeker van zijn zaak om er op een besloten bijeenkomst over te vertellen. Dat gebeurde op de Caribische Maagdeneilanden op uitnodiging van de Simons Foundation, die regelmatig bijzondere mensen naar ongewone plekken uitnodigt in de hoop dat daar nieuwe ideeën uit ontstaan. Kouwenhoven trof er onder anderen Michael Freedman, Ady Stern en collega’s van het Weizmaninstituut uit Israël, mensen uit Harvard en van de Freie Universität van Berlijn.

“Bij sommigen viel het nieuws heel erg goed”, herinnert Kouwenhoven zich, “anderen waren mild enthousiast en misschien was er ook iemand die dacht: so what?”

Waar hij niet op had gerekend, was dat Ady Stern onmiddellijk na terugkomst er anderen over vertelde en de experimenten wilde gaan herhalen. Het gevolg was dat geruchten begonnen rond te gaan in de fysische gemeenschap, en dat collega’s halsreikend uitzagen naar Kouwenhovens volgende presentatie.

Wereldnieuws

Die vond plaats op 28 februari 2012 tijdens het congres van de American Physical Society. Het was precies twee jaar nadat Kouwenhoven had besloten dat Majorana’s een interessant onderzoeksobject zouden zijn. De zaal was overvol. Het was net een metrostation in het spitsuur, schreef de verslaggever van Nature. Kouwenhoven presenteerde de meetresultaten van een maand eerder met het opmerkelijk bestendige piekje in de geleiding. “Hebben we Majorana fermionen gezien?” besloot hij zijn presentatie, “I’d say it’s a cautious yes.”

Nature meldde onmiddellijk ‘Quest for quirky quantum particles may have struck gold’ en daarmee waren Kouwenhoven en Majorana’s opeens wereldnieuws. In Delft rinkelde de telefoon onophoudelijk en liep de mailbox vol met interviewverzoeken. Het antwoord was steeds: “Dank voor uw belangstelling, maar we hebben nog niks gepubliceerd en we kunnen dus niet op uw verzoek ingaan.”

De publicatie ging op 23 maart 2012 naar Science die het onmiddellijk liet reviewen. Op 12 april 2012 kwam de publicatie uit: ‘Signatures of Majorana Fermions in Hybrid Superconductor-Semiconductor Nanowire Devices’. Dat was het startschot voor de publiciteit. Die dolle donderdag kwamen RTL, NOS en Reuters langs op het lab. ‘s Middags belde Kouwenhoven met de BBC en ’s avonds trad hij op bij Pauw & Witteman. Tussendoor hield hij nog een praatje voor het Radio 1-nieuwsprogramma ‘Met het oog op Morgen’. ‘Een deeltje van niks heeft een revolutie ontketend’, constateerde dagblad Trouw de volgende dag droogjes.