Je leest:

Spinozapremie dankzij supergeleidende strepen

Spinozapremie dankzij supergeleidende strepen

Auteur: | 20 november 2006

Theoretisch natuurkundige prof.dr.Jan Zaanen kreeg vorige maand een Spinozapremie voor zijn werk op het gebied van hoge-temperatuur supergeleiding. ´Ik hoef er geen reclame meer voor te maken.’

De ‘Nederlandse Nobelprijs’, zo wordt de Spinozapremie wel eens genoemd. Theoretisch natuurkundige prof.dr. Jan Zaanen is ‘heel gevleid’ met de prijs van 1,5 miljoen euro van onderzoeksfinancier NWO, sinds 1995 de tiende voor een Leidse wetenschapper. Zaanen dankt zijn prijs voor een groot deel aan de ‘stripes’ of strepen, slierten van elektrische lading die hij in de jaren tachtig bedacht, en die een rol lijken te spelen bij bijzondere nieuwe vormen van hoge-temperatuur supergeleiding.

Molecuulrooster van de supergeleider YBa2Cu3O7-x.

Supergeleiding is het verschijnsel, in 1911 ontdekt door Zaanens faculteitsgenoot Heike Kamerlingh Onnes, dat stoffen als kwik, tin en lood bij afkoeling tot enkele graden boven het absolute nulpunt plotseling alle elektrische weerstand verliezen. In 1986 ontdekten Zwitsers Georg Bednorz en Alex Müller dat bepaalde keramische koperoxideverbindingen supergeleidend worden bij onverwacht ‘hoge’ temperaturen. Dat leidde tot een ware hogetemperatuur- supergeleidingsrace, waarbij natuurkundigen de temperatuur al snel hadden opgevoerd tot 138 graden boven het absolute nulpunt. ‘Ik was toen net een postdoc, het was totale hype in de natuurkunde’, herinnert Zaanen zich. De mogelijke praktische toepassingen, verliesloze stroomkabels en supperefficiënte magneten en motoren, spraken natuurkundigen minder aan dan het vinden van een theoretische verklaring. De gangbare BCS-theorie voor conventionele supergeleiding, in 1957 opgesteld door de Amerikanen Bardeen, Cooper en Schrieffer, voorspelde een maximale overgangstemperatuur van rond de 30 graden boven het nulpunt, en sloeg ook verder de plank totaal mis bij de nieuwe ‘hoge temperatuur- supergeleiders’.

‘Veel natuurkundigen die vanaf de jaren vijftig het vak, de ’fysica van de gecondenseerde materie’, hadden opgebouwd en nu op de top van hun kunnen waren, grote ego’s vaak, kwamen dit gebied binnen om even een tweede Nobelprijs op te halen’, herinnert Zaanen zich de sfeer. Bednorz en Müller hadden die ultieme bekroning al gekregen in 1987, uitzonderlijk snel. Toen kwam de kater. Twintig jaar later is er nog altijd geen sluitende verklaring voor het verschijnsel. ‘De ego’s van het eerste uur zijn nu wat verbitterd. Hoge-temperatuur supergeleiding is een heel diep mysterie gebleken, en dat is ook wel mooi’, zegt Zaanen. Toch lijken een paar dingen wel zeker: cruciaal voor de supergeleiding zijn de laagjes van koperatomen in het supergeleidende kristal, waarin elektronen voorkomen. Op één of andere manier – de grote vraag is: hoe? – zorgt juist dat ervoor dat de elektronen bij supergeleiding versmelten tot paren, de zogeheten ‘cooperparen’. Deze paren versmelten volgens de kwantummechanica tot één collectief, een ‘kwantumvloeistof’, die zich ongehinderd door het kristalrooster kan bewegen: de supergeleiding is een feit.

Supergeleiders verdragen geen magneetvelden in hun binnenste. Dit brokje metaal is extreem afgekoeld en duwt alle magnetische veldlijnen in zijn binnenste naar buiten: daardoor zweeft het boven de magneet. bron: UT.

Naar aanleiding van eigen simulaties stelde Zaanen voor dat de elektronen zich in de koperlaagjes kunnen ordenen in ‘stripes, een soort rivieren van elektrische lading, die mogelijk iets met het verschijnsel te maken hebben. Aanvankelijk werd het idee weinig serieus genomen, tot in 1995 statische stripes gezien werden. ’Dat leidde tot de ’stripe wars’, vertelt Zaanen, ‘felle debatten over de vraag of stripes in supergeleiders voorkwamen en of ze ertoe deden voor supergeleiding.’ Inmiddels hopen experimentele aanwijzingen zich op dat stripes verschijnen in alle hoge-temperatuur- supergeleiders, niet statisch maar als extreem snel kronkelende strepen, die een eigen kwantumvloeistof vormen.

‘Inmiddels zijn stripes misschien bij de helft van de gemeenschap geaccepteerd’, vat Zaanen de voorlopige uitslag van de strepenoorlog samen. Inmiddels wordt hij standaard gevraagd voor commentaren bij stripe-artikelen in tijdschriften als Nature. ‘Ik hoef er geen reclame meer voor te maken, kan me meer gedragen als een elder statesman die waarschuwt voor hype’, zegt Zaanen. Want hoe stripes cooperparen oproepen, dat is vers twee.

Nu is het de tijd voor experimenteel natuurkundigen om te beslissen, vindt de onderzoeker, die – om heel eerlijk te zijn – inmiddels zijn interesse voor stripes wat verloren is. ‘Het is nu nog maar een van mijn bezigheden’, zegt de onderzoeker. Nu is het volgens Zaanen tijd voor nieuwe wisselwerkingen bijvoorbeeld met de Algemene Relativiteitstheorie, Einsteins theorie van zwaartekracht, gekromde ruimtes en zarte gaten. Sommige verschijnselen in Zaanens vakgebied lijken wiskundig gezien precies op vergelijkingen in Einsteins theorie, wat sommige onderzoekers al tot de kreet ‘zwart gat op een labtafel’ heeft verleid. ‘Wij hebben inmiddels een heel breed inzicht in wat voor verschijningsvormen materie allemaal kan hebben’, zegt Zaanen, ‘Het is heel duidelijk dat collectieve verschijnselen veel belangrijker zijn dan verwacht.’

Bij deeltjeslab CERN in Geneve worden elementaire deeltjes in een ringvormige versneller tot vlakbij de lichtsnelheid gestuwd; daarna botsen ze op elkaar en onderzoeken de duizenden wetenschappers bij CERN de brokstukken. Om de deeltjes in de cirkelbaan van de 27 km. lange versneller te houden zijn supergeleidende kabels nodig. bron: CERN. Klik op de afbeelding voor een grotere versie.

Het feit dat zulke verschijnselen zich kunnen gedragen als hoge-energiefysica of algemene relativiteitstheorie, is misschien niet toevallig, vermoedt Zaanen, maar juist veelzeggend. ‘Natuurkundigen hebben de neiging om steeds naar simpeler bouwstenen te kijken, maar misschien is dat niet het juiste perspectief. Misschien gaan de meeste basale natuurwetten juist vooral over ordening en collectieve verschijnselen, de zaken die wij ook tegenkomen. Wát zich dan ordent, de bouwstenen zelf, doen er dan minder toe.’ Het is een nogal metafysische gedachte, geeft Zaanen toe, en ook eentje waarvoor je al snel voor geschift verklaard wordt. ‘Ik kan de plank natuurlijk ook misslaan.’

Met de Spinozapremie kan de onderzoeker, al leider van een vakgroep van vijftien man, in iede geval onderzoekers op zulke vragen zetten. ‘Bij ons zit gaat al het geld in mensen zitten, in hersenen’, zegt Zaanen. Goede hersenen zijn schaarser dan geld, is zijn ervaring, maar hij heeft een plan: het aftappen van de stroom briljante geesten die inmiddels vanuit China op gang gekomen is naar het westen, vooral Amerika. ‘Ik heb dat in Stanford gezien. De beste mensen uit China komen daarheen, misschien wel één op de tienduizend, dus de selectie is enorm streng.’

Ruim tien Chinese theoretici, promovendi en wat ervaren onderzoekers, wil Zaanen van zijn premie betalen. Niet dat het geen Nederlanders of andere westerlingen mogen zijn, maar de kans dat er zich daarvan genoeg aandienen met de benodigde bagage en intelligentie, lijkt hem klein. Zijn contacten aan de Chinese topuniversiteit Tsinhua zijn geval enthousiast, net als de universiteit Leiden zelf, die zich graag in de kijker speelt bij de opkomende wetenschappelijke supermacht. Zaanen: ‘Naderhand gaan die mensen weer verder, maar dan weten ze wel waar Leiden ligt.’

Dit artikel is eerder gepubliceerd in Leidraad, corporate magazine Universiteit Leiden, juli 2006.

Zie ook

Dit artikel is een publicatie van Universiteit Leiden.
© Universiteit Leiden, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 20 november 2006

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.