Nieuwsbrief

Blijf wekelijks op de hoogte van het beste uit De Kennis van Nu en het laatste nieuws!

MELD JE AAN
Krakeling

De Nobelprijs natuurkunde 2016 gaat naar de Britten Duncan Haldane, David Thoules en Mike Kosterlitz, voor hun onderzoek naar materialen die exotische quantum-eigenschappen vertonen. Het is nog theorie, maar mogelijk zijn er praktische toepassingen, zoals voor het bouwen van een quantumcomputer of betere supergeleiders.

De drie natuurkundigen deden hun baanbrekende theoretische onderzoek al in de jaren tachtig. Maar pas de laatste jaren lijken praktische toepassingen naderbij te komen, wat voor het Nobelprijscomité reden was om ze nu de prijs toe te kennen. 

Carlo Beenhakker, hoogleraar theoretisch natuurkundige aan de Universiteit Leiden, kent het onderzoek van de drie goed: 'Dit onderzoeksgebied is de laatste jaren echt heel groot geworden. Over de hele wereld, tot in China toe, werken onderzoekers er aan. Er zullen een hoop mensen teleurgesteld zijn. Het comité zat er blijkbaar mee in zijn maag wie ze hiervoor moesten bekronen, en ze hebben nu gekozen voor de pioniers van dit vakgebied, niet voor een van de mensen die deze materialen maken.'

Nederlandse makers

Een van die 'makers' is de Nederlander Laurens Molenkamp – een goede bekende van Beenhakker – die in vorige jaren was genomineerd voor de Nobelprijs. Dat de pioniers nu bekroond zijn, maakt het zeer onwaarschijnlijk dat ditzelfde vakgebied binnen tien jaar weer aan de beurt zal komen. 

Haldane, Thoules en Kosterlitz ontdekten dat in magnetische stoffen 'topologische' faseovergangen voor kunnen komen. Gewone fase-overgangen, zoals water dat bevriest, of ijzer dat smelt in een hoogoven, worden al lange tijd goed begrepen met behulp van gewone, 'klassieke' natuurkunde. 

Een topologische faseovergang is een plotselinge verandering in de eigenschappen van een stof die wordt bepaald door de quantum-eigenschappen van de atomen waaruit de stof bestaat. 'Topologisch' wil zeggen, dat veel fysische details van die eigenschappen er niet toe doen, zodat de faseovergang in verschillende stoffen en bij verschillende omstandigheden identiek verloopt.

Bijvoorbeeld: topologisch gezien zijn alle donuts (torussen) hetzelfde, want ze hebben - per definitie - allemaal één gat. Ook alle krakelingen zijn topologisch hetzelfde, want die hebben allemaal drie gaten.

Op die manier, maar dan abstracter, hebben groepjes atomen in een vaste stof bepaalde topologische eigenschappen, en wanneer die omslaan (alsof een groot aantal donuts plotseling en bloc verandert in krakelingen) ondergaat die stof een topologische faseovergang. Zo'n overgang is ongevoelig voor allerlei onzuiverheden in het materiaal. Dit kan betekenen dat een geleider verandert in een isolator, of juist in een supergeleider.

Een knoop maakt het verschil

Beenhakker heeft nog een andere analogie voor een topologisch materiaal: 'Neem een snoer dat je met een stekker in het stopcontact steekt. We zijn eraan gewend dat het voor de elektrische geleiding vrijwel niets uitmaakt of er een knoop in dat snoer zit. Bij een topologisch materiaal maakt dat wel een groot verschil.' Een fase-overgang komt dan neer op het snoer uit de knoop halen, of er nog meer knopen in leggen.

Overigens gaat het dan wel om draadjes en andere elektronische onderdelen op nanoschaal. Topologische effecten zijn het duidelijkst in ultra-dunne laagjes, van maar een paar atomen dik. Daarom kunnen ze van groot belang worden in de nano-technologie, waar onderdelen zo klein zijn dat een paar atomen die niet helemaal goed zitten al roet in het eten gooien.

Op naar de quantumcomputer?

Lange tijd was dit maar een speeltje voor theoretici. Maar volgens sommige onderzoekers ziet het er naar uit dat dit verschijnsel gebruikt kan worden om onderdelen te maken voor een quantumcomputer - een computer die veel sneller en krachtiger zal zijn dan alle bestaande computers. Over de hele wereld, waaronder aan de TU Delft, is men nu bezig om onderdelen van zo'n quantumcomputer te bouwen.

Beenhakker, die nauw betrokken is bij de Delftse queeste naar de quantumcomputer, is daar trouwens sceptisch over. Hij denkt dat topologische materialen geen prominente rol zullen spelen bij het realiseren van de quantumcomputer, en dat het ook zonder dat kan. En hoe zit dat met grafeen, een ander wondermateriaal dat in 2010 een Nobelprijs met een Nederlands tintje opleverde? Grafeen bestaat uit een netwerk van koolstof-atomen van letterlijk één atoom dik, ideaal dus voor topologische effecten, zou je denken. Beenhakker is zeer gedecideerd: 'Helaas, topologische effecten spelen geen rol in grafeen. Dat is echt heel jammer, omdat het zo'n makkelijk materiaal is om mee te werken.'

Volgens Beenhakker rechtvaardigt alleen al de theoretische schoonheid van het werk van de drie Britten een Nobelprijs, ongeacht eventuele toepassingen. 'Echte toepassingen zijn er nu nog niet, en misschien over tien of twintig jaar nog steeds niet. Voor een echte doorbraak moeten nog veel meer materialen onderzocht worden. Maar in China zijn ze daar wel heel hard mee bezig, die lopen wat dat betreft echt voorop in de wereld. Praktisch materiaalonderzoek heeft menskracht nodig. In China zetten ze daar gewoon tweehonderd studenten op. Wij hebben daar de mensen en het geld niet voor.'   

Ontdek meer in de special