Naar de content

Spinozapremie 2016 naar natuurkundige Bart van Wees

‘Wij gaan ons onderzoek niet met overdreven veel toeters en bellen verkopen’

Sylvia Germes

Natuurkundige Bart van Wees ontvangt dit jaar een Spinozapremie van 2,5 miljoen euro. Hij mag dat geld vrij besteden aan onderzoek. NEMO Kennislink spreekt Van Wees over zijn experimenten op de grenzen van de quantum- en klassieke wereld.

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.

Een voorbeeld van spintronica: een magnetisch geheugenchip. Een stukje informatie (een bit) wordt opgeslagen door in een geheugencel (in blauw) elektronen op te slaan die een bepaalde spin (draairichting) hebben. De geheugencel kan ‘beschreven’ worden door een stroom die onder het magnetische materiaal (blauw) doorloopt. Tot slot is een laagje zogenoemd antiferromagnetisch materiaal (rood, bovenop) nodig om de spinrichting van een net beschreven geheugencel als het ware vast te leggen.

Arno van den Brink/TU Eindhoven

Dat kan het ontwerp van elektronica op zijn kop zetten. Apparaten zouden sneller en zuiniger worden. Ook kan er snel geheugen gemaakt worden dat niet verloren gaat wanneer de stroom er vanaf wordt gehaald. Hoewel de meeste toepassingen nog toekomstmuziek zijn, is er al werkende spintronica. Het bekendste voorbeeld is de leeskop van een harde schijf. Die maakt slim gebruik van een quantummechanisch effect dat ervoor zorgt dat de elektrische weerstand snel daalt onder invloed van een magnetisch veld.

Ondanks de grote beloften van spintronica blijft Van Wees nuchter. “Natuurlijk houden wij mogelijke toepassingen in het vizier, maar wij gaan ons onderzoek niet met overdreven veel toeters en bellen ‘verkopen’”, zegt hij. “Het onderzoek wordt vooral uit nieuwsgierigheid naar nieuwe natuurkunde gedreven.”

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.”

Een verrassend simpele methode om een laagje grafeen te maken: de grafiet met een plakbandje laag voor laag ‘af te pellen’ totdat er nog maar één laagje koolstofatomen over is (het grafeen).

Alexander Mayorov/Ququ via CC BY-SA 3.0

Al vanaf eind jaren tachtig probeert Van Wees zo nieuwe fysica te ontdekken in materialen. Hij was in 1988 samen met collega’s van Philips Natlab de eerste die aantoonde dat elektrische geleiding van een materiaal op mesoscopische schaal niet geleidelijk toeneemt als de dikte van een materiaal groter wordt. Als gevolg van quantumeffecten gaat het met stapjes omhoog. Het zijn ontdekkingen die uiteindelijk kunnen leiden tot mooie toepassingen, ook al draait het hem vooral om de nieuwe natuurkunde.

Natuurlijk is Van Wees blij met de Spinozapremie, de hoogste onderscheiding binnen het Nederlandse wetenschappelijk onderzoek. Hij hoopte er stiekem op: “Ik wist dat de uitreiking in juni kwam en vermoedde dat ik wel meedeed in de race. Maar je weet zoiets natuurlijk nooit, de concurrentie in de nanofysica is heel erg sterk.”

ReactiesReageer