Nobelprijs voor materiaalpioniers

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.

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.