Het eerste onderwerp, grafeen, staat de afgelopen jaren volop in de belangstelling. Grafeen is een enkel laagje van koolstofmoleculen met bijzondere eigenschappen.
Het is het sterkste materiaal tot nu toe, doorzichtig, flexibel, en de elektronen zoeven erdoorheen alsof ze geen massa hebben. Vele toepassingen worden aan grafeen toegedicht, waaronder nieuwe beeldschermen en transistors.
Sinds Andre Geim en Konstantin Novoselov het in 2004 voor het eerst maakten – waar zij vorig jaar de Nobelprijs voor de natuurkunde voor kregen – is grafeen een hype in de natuurkunde.
Akhmerov-randvoorwaarden
Toen de Russische natuurkundige Anton Akhmerov zijn promotieonderzoek aan het Leids Instituut voor Onderzoek in de Natuurkunde (LION) begon, sprong hij direct in op deze hype. Hij ging met een aspect van grafeen aan de slag waar in het verleden niet goed over nagedacht was: de randen. “De theorie van massaloze elektronen ging altijd uit van oneindig grote oppervlakken, maar in de praktijk bestaat grafeen uit kleine stukjes”, zegt promotor Prof. Carlo Beenakker. “Die stukjes hebben randen, en daar gebeurt iets anders dan binnenin van het materiaal.”
Akhmerov heeft zogenoemde randvoorwaarden opgesteld: een wiskundige beschrijving van hoe massaloze elektronen aan een rand weerkaatsen. Dat is belangrijke kennis. “Iedereen die met grafeen werkt, krijgt met deze randvoorwaarden te maken”, zegt Beenakker. “Zijn werk is inmiddels al zo’n honderd keer geciteerd.” De groep spreekt inmiddels grappend van de ‘Akhmerov-randvoorwaarden’, aangezien veel eenheden en formules in de natuurkunde vernoemd worden naar de bedenker.
Robuuste materialen
Maar toen Akhmerov dat werk gedaan had, was hij slechts halverwege zijn promotietijd. Hij besloot op een onderwerp te duiken dat juist toen door natuurkundigen ontdekt was: topologische materialen. In de natuurkunde duidt dit op materialen met geleidende eigenschappen die niet kapot te krijgen zijn. Akhmerov heeft onderzocht in hoeverre je deze materialen kunt inzetten bij het bouwen van een quantumcomputer.
Een quantumcomputer maakt gebruik van quantummechanica en is in potentie vele malen krachtiger dan de huidige computers. Maar de bijzondere eigenschappen van quantumcomputers zijn lastig in stand te houden.
Akhmerov heeft nu een aantal manieren beschreven om met topologische materialen dit probleem aan te pakken. Na grafeen betekent het ook op dit gebied een belangrijke doorbraak.
Inmiddels is een samenwerking begonnen met de Delftse groep van Leo Kouwenhoven, die de door Akhmerov beschreven quantumcomputer gaat bouwen.
Uniek
Dankzij de twee verschillende onderwerpen is het proefschrift van Akhmerov een dik boekwerk geworden. Maar wel één met indrukwekkende resultaten. “Anton heeft nu al de staat van dienst van een beginnend hoogleraar, dat is heel bijzonder”, vindt Beenakker. Als kers op de taart is één van de afbeeldingen uit zijn proefschrift gebruikt in een aflevering van de populaire Amerikaanse komedieserie ‘The Big Bang Theory’. In zekere zin heeft Akhmerov dus nu al zijn werk getoond aan een miljoenenpubliek.