Spinozapremie 2016 naar natuurkundige Bart van Wees

De allerkleinste deeltjes leven in hun eigen wereld. Daar, op die extreem kleine nanometerschaal, domineren de vreemde wetten van de quantummechanica.

Zo kunnen deeltjes zoals elektronen schijnbaar moeiteloos door ondoordringbare barrière’s heen ‘tunnelen’ of zelfs op meerdere plekken tegelijk zijn. Op net iets grotere lengteschalen verdwijnt dat bizarre gedrag snel, maar kan júist daar tot interessante natuurkunde leiden.

De Groningse natuurkundige Bart van Wees begeeft zich graag op dat grensvlak om nieuwe natuurkunde te ontdekken.

Van Wees is een duizendpoot in de zogenoemde mesoscopische fysica. “Dat is de natuurkunde die gebruik maakt van effecten op net iets grotere dan atomaire schaal”, zegt hij. “Bijvoorbeeld het (golf)gedrag van bewegende elektronen in een materiaal. Of gebruikmaken van de spin (de draairichting van de deeltjes om hun as – red.) die ze met zich meedragen, wat er voor zorgt dat elektronen in feite kleine magneetjes zijn. Het is een geweldig interessant gebied. Bovendien kan deze fysica, als je het op de juiste manier inzet, interessante nieuwe technologieën opleveren.”

Tollende elektronen in de computer

Een van die technologieën is de zogenoemde spintronica, een vakgebied waar Van Wees zich al lang mee bezighoudt. Het is een samentrekking van de woorden ‘spin’ en ‘elektronica’. Waar in huidige elektrische circuits elektronen met hun lading de boodschapperdeeltjes zijn, maakt spintronica daarnaast gebruik van de magneetrichting van de elektronen. Er kan óók informatie worden gekoppeld aan het feit dat het magneetveld omhoog of omlaag wijst.

Grafeen

Een van de materialen waar Van Wees zich momenteel op focust is grafeen. Misschien niet gek, want de ultradunne plakjes koolstofkippengaas zijn de afgelopen jaren gedoodverfd als natuurkundig ‘wondermateriaal’. Vanwege zijn bijzondere eigenschappen – het is supersterk en een enorm goede elektrische geleider – heeft het allerlei toepassingen, van nieuwe zonnepanelen tot aanraakschermen.

Ook voor spintronica lijkt grafeen het aangewezen materiaal. In geen ander materiaal blijven spins van elektronen zo lang stabiel. En waar veel andere materialen extreem gekoeld moeten worden om de spins in het gareel te houden werkt het in grafeen gewoon bij kamertemperatuur. “Het draait overigens niet alleen maar om het behouden van de spins,” vult Van Wees aan, “je kunt met grafeen ook structuren maken die spins omklappen. Op die manier kun je de informatie bewerken.”

Het is niet gek dat Van Wees een belangrijke rol heeft in het gigantische flagship-onderzoeksprogramma voor grafeen van de Europese Commissie, die in 2013 een miljard euro uittrokken voor het ontwikkelen van grafeentoepassingen. Van Wees is coördinator van het spintronicsproject.

Stapelen

Maar het is niet alleen grafeen dat op de mesoscopische schaal interessant is. Binnen de onderzoeksgroep van Van Wees stapelen onderzoekers lagen van verschillende materialen op elkaar om zo een materiaal te maken met nieuwe eigenschappen. “De laagjes zijn doorgaans maar een enkele atoomlaag dik,” zegt Van Wees, “en de methode om ze te maken lijkt een beetje op de productiemethode van grafeen. We pellen een dikker materiaal eigenlijk af totdat er nog maar een enkele laag atomen over is. Uiteindelijk kunnen we tot wel tien verschillende lagen op elkaar leggen, en zo nieuwe eigenschappen aan het materiaal ontlokken.”