Het opsplitsen van licht in zogeheten majorana-deeltjes, iets waarvan lang werd gedacht dat het onmogelijk is, blijkt misschien toch te kunnen.
Een onmogelijk geacht type licht bestaat misschien tóch. Om dit licht te maken, zou je een foton (een lichtdeeltje) moeten splitsen om twee zogeheten majorana-bosonen te produceren.
In 1937 opperde de Italiaanse natuurkundige Ettore Majorana dat sommige elektronen, die in de deeltjesfysica tot de categorie fermionen behoren, kunnen opsplitsen in twee theoretische deeltjes genaamd majorana-fermionen. Hierbij worden de elektronen niet fysiek doormidden gebroken. Het is meer zo dat quantumeffecten laten lijken alsof het elektron gesplitst is.
Deeltjesfysicus Dylan van Arneman: ‘Ik ben op zoek naar iets wat misschien niet bestaat’
Dylan van Arneman verruilt een paar keer per jaar zijn werkkamer op het Science Park in de Watergraafsmeer voor de ondergrond ...
Kop of munt
Deze twee helften vormen samen nog steeds hetzelfde elektron. Ze zijn echter wel ruimtelijk gescheiden van elkaar en kunnen daarom gezien worden als verschillende objecten, zoals twee kanten van een munt of twee pijpen van dezelfde broek. ‘Het is alsof je een broek pakt, en beide broekspijpen zo ver mogelijk uit elkaar trekt. Het is nog steeds dezelfde broek, maar beide uiteinden zijn ver uit elkaar’, zegt Lorenza Viola, hoogleraar theoretische natuurkunde aan het Dartmouth College in de Amerikaanse staat New Hampshire.
Viola en haar collega’s hebben nu het concept van majorana-deeltjes uitgebreid naar bosonen. Tot deze categorie deeltjes behoren ook fotonen. Hiervoor werden majorana-bosonen wiskundig onmogelijk geacht.
‘Veel van ons eerdere werk richtte zich op het ontkrachten van elke mogelijke manier om dit te doen’, zegt Vincent Flynn, lid van Viola’s onderzoeksteam. ‘Het was spannend om eindelijk de sleutel naar het maken van deze deeltjes te vinden, terwijl de meeste natuurkundigen dachten dat ze niet konden bestaan.’
De truc om majorana-bosonen te maken, is volgens de berekeningen van de onderzoekers om een kleine hoeveelheid energie uit het systeem te laten lekken, in plaats van het te isoleren zoals nodig is voor majorana-fermionen. Voor fotonen zou dit systeem een keten aaneengesloten holtes zijn, gevuld met licht. Hierbij zouden de majorana-fotonen aan beide uiteinden van de keten ontstaan. Dit zou een compleet nieuwe vorm van licht zijn.
Verstrengeling
Omdat elk paar majorana-bosonen tot een enkel deeltje behoort, zou het veranderen van één deeltje ook de ander direct beïnvloeden. Dit komt door quantumverstrengeling. ‘Er zijn langeafstandsinteracties van bepaalde eigenschappen door de keten heen, en ze worden zelfs sterker naarmate de keten groeit en de deeltjes verder uit elkaar komen. Dit zijn spannende ‘mysterieuze krachten op afstand’’, zegt Viola, waarmee ze refereert aan Einsteins omschrijving van quantumverstrengeling.
Een gevolg is dat licht dat aan het eind van zo’n keten naar binnen schijnt er aan de andere kant sterker uitkomt dan het er in ging.
Dit kan nuttig zijn om quantumcomputers beter bestand te maken tegen verstoringen van buitenaf, zegt Alex Ruichao Ma, quantumfysicus aan de Purdue-universiteit in de Amerikaanse staat Indiana. ‘Als je twee majorana-deeltjes gebruikt om quantuminformatie te coderen, kun je die informatie niet verliezen als maar één van de deeltjes verloren gaat’, zegt Ma.
Viola en haar collega’s hebben alleen laten zien dat majorana-bosonen in theorie mogelijk zijn. De volgende stap is om ze ook daadwerkelijk in een laboratorium te maken.
‘Het zou in de nabije toekomst zeker mogelijk moeten zijn om een klein systeem te bouwen om deze ideeën uit te testen. Het maken van meer complexe systemen waarbij je majorana-bosonen daadwerkelijk kunt gebruiken, is meer iets voor de lange termijn’, zegt Ma.
