Je leest:

Nobelprijs voor materiaalpioniers

Nobelprijs voor materiaalpioniers

Auteur: | 4 oktober 2016

De Nobelprijs voor de Natuurkunde gaat dit jaar naar drie van oorsprong Britse fysici. David Thouless, Duncan Haldane en Michael Kosterlitz speelden een belangrijke rol in het begrip van zogenoemde topologische materialen.

Het is je misschien tijdens de scheikundeles met de paplepel ingegoten. Materie heeft drie verschillende verschijningsvormen: gas, vloeistof en vaste stof. Maar er is meer. Bij extreem lage temperaturen – een paar graden boven het absolute nulpunt – blijkt materiaal zich te ordenen in nieuwe fasen waarin de wetten van de quantummechanica het voornamelijk voor het zeggen hebben. Combineer je die extreme omstandigheden met extreem dunne plakken van een materiaal, dan ontstaan er verrassende effecten. De elektrische geleiding maakt vreemde sprongen of het oppervlak van een materiaal krijgt andere elektrische eigenschappen dan de ‘bulk’ aan de binnenkant.

De Nobelprijs voor natuurkunde 2016 wordt gedeeld tussen David J. Thouless enerzijds, en F. Duncan M. Haldane & J. Michael Kosterlitz anderzijds, voor hun onderzoek naar topologische fasen en topologische faseovergang in materie.
Nobel Media 2016

David Thouless, Duncan Haldane en Michael Kosterlitz – die aan verschillende Amerikaanse universiteiten verbonden zijn – krijgen de Nobelprijs voor de natuurkunde voor het correct voorspellen van een aantal van deze bijzondere materiaaleigenschappen. Ze zijn daarmee de theoretische grondleggers van een vakgebied waarin wereldwijd tienduizenden fysici actief zijn.

Broodjes, donuts en krakelingen

Het waren Thouless en Kosterlitz die begin jaren zeventig de theoretische basis legden voor zogenoemde topologische faseovergangen. Deze komen onder andere voor in een dunne plak supergeleidend materiaal. Verstoringen in die supergeleiding lijken onder een bepaalde temperatuur netjes in paren voor te komen. Vanaf een bepaalde temperatuur beginnen ze echter van elkaar af te bewegen. De twee natuurkundigen waren de eersten die het bestaan van zo’n grens – een faseovergang – voorspelden. Deze zogenoemde Kosterlitz-Thoules-transities zijn sindsdien gebruikt om een flink aantal materiaaleigenschappen in vooral dunne materialen te voorspellen.

Deze animatie laat zien dat een mok ‘topologische’ overeenkomsten heeft met een donut. Ze kunnen vloeiende in elkaar overgaan zonder dat er gaten bijkomen of verdwijnen.

Tijdens de bekendmaking van de prijs offerde iemand zijn lunch op in een poging het onderzoek van de prijswinnaars te verduidelijken. Hij was met een broodje, een donut en een krakeling in de weer om te laten zien dat ze ‘topologisch’ verschillend zijn: ze hebben een verschillende aantal gaten. Uit de topologie, de wiskundige ‘leer van vormen’, stamt het inzicht dat je vormen in elkaar kunt omzetten die een gelijk aantal gaten hebben. Zie het als een donut van klei die je kunt boetseren tot een koffiekopje, maar níet tot een krakeling. Voor dat laatst is namelijk een extra gat nodig.

Dit wiskundige inzicht werd door Thouless en Haldane in de jaren tachtig (afzonderlijk) gebruikt om het quantum-Hall-effect te voorspellen: het feit dat een dunne laag materie onder specifieke omstandigheden alleen bepaalde stroomwaardes doorlaat. In 1980 was dit effect al gemeten door de Duitse fysicus Klaus van Klitzing die er in 1985 een Nobelprijs voor kreeg.

Spintronica

Alexander Brinkman, professor Quantumtransport van de Universiteit Twente, vindt de prijs voor het drietal erg terecht en verrassend. “Een Nobelprijs in de ‘topologische hoek’ zat er wel aan te komen, maar het is mooi dat nu juist de theoretische grondleggers de prijs ontvangen”, zegt hij. “Terwijl er momenteel veel onderzoek plaatsvindt naar deze materiaaleigenschappen, wordt het grondwerk van enkele tientallen jaren geleden nu beloond.”

Hoewel toepassingen niet direct om de hoek liggen, lijkt dit een kwestie van tijd. Brinkman noemt bijvoorbeeld topologische materialen waarin de draairichting van elektronen (spins) zeer nauwkeurig gecontroleerd is. Dat belooft superzuinige elektronica die niet een elektrische stroom maar spins als informatiedrager gebruiken.

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 04 oktober 2016

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.