Nobelprijs voor natuurkunde naar ontdekkers exotische materie

De Nobelprijs voor de natuurkunde gaat dit jaar naar de drie in Amerika werkzame Britten David Thouless, Duncan Haldane and Michael Kosterlitz voor de ontdekking van exotische materiaaltoestanden. Dat heeft het Nobelcomité dinsdagochtend in Stockholm bekendgemaakt.

Het Nobelcomité voor een scherm met de drie winnaars erop Beeld afp

De prijs wordt toegekend voor zogeheten topologische materialen, die een rol kunnen spelen in totaal nieuwe vormen van elektronica.

Thouless (82) is verbonden aan de universiteit van Washington in Seattle. Hij krijgt de helft van de Nobelprijs, voor werk in de jaren tachtig dat de wiskundige basis voor de zogeheten topologische revolutie in de vastestof-fysica legde. Haldane (65) - een Brit die werkt op Princeton University - en Kosterlitz (74) - van Brown University - voorspelden met de nieuwe theorie totaal nieuwe effecten, bijvoorbeeld in de manier waarop materialen supergeleidend worden. Zij delen de andere helft van de prijs.

Topologie

De laatste jaren beginnen topologische effecten een serieuze rol te spelen in het denken over nieuwe vormen van elektronica. Met name de laatste tien, vijftien jaar zijn chemische verbindingen ontdekt die bijvoorbeeld stromen alleen over hun oppervlak geleiden. Normale geleiders gebruiken daarvoor hun hele bulk.

'Met name Thouless heeft de natuurkunde in de jaren tachtig opnieuw leren nadenken over eigenschappen van vaste stoffen', zegt de Delftse hoogleraar Teun Klapwijk. 'Natuurkundigen redeneerden altijd in termen van het materiaal en vonden de vorm en randen lastig en oninteressant. De topologie laat zien dat juist aan de randen interessante en onverwachte eigenschappen kunnen ontstaan.'

Topologie is de wiskundige theorie van vormen, waarbij alleen de cruciale eigenschappen als oppervlakken en gaten tellen. Een bol is daarin gelijk aan een kubus: beide objecten met alleen een oppervlak. Een donut met een gat is op die manier identiek aan een theekopje. Een van de cruciale inzichten in het vak is dat de ene topologische vorm niet zonder geweld in een andere is om te zetten. Een materie-eigenschap met topologische kenmerken is daardoor vaak extreem stabiel.

Thouless gebruikte in de jaren tachtig deze zeer wiskundige manier van kijken om te verklaren waarom in sommige materialen elektrische stromen niet geleidelijk toenemen, maar in sprongen. Voor de ontdekking van dat zogenoemde quantum-Hall-effect werd in 1980 een eerste Nobelprijs toegekend.

Lees ook

In 2014 schreef Martijn van Calmthout over het nieuwe type elektronische wondermaterialen die een golf van opwinding veroorzaakte. Lees het hier terug: 'Stroom in de knoop'.

Wie worden de Nobelprijswinnaars van dit jaar? Een voorbeschouwing (+).

'Opmerkelijk'

'Eigenlijk is alweer een Nobelprijs voor het quantum-Hall-effect', zegt Spinozaprijswinnaar en quantumfysicus Leo Kouwenhoven van de TU Delft. Hij noemde vorige week in de Volkskrant topologische materialen al als een mogelijke kandidaat voor de Nobelprijs dit jaar. 'Dit zijn de drie theoretische grondleggers, die de topologie in de natuurkunde van vaste stoffen hebben ingevoerd. Superfundamenteel, maar misschien lastig voor het brede publiek.' Zelf had hij eerder een prijs voor recentere experimenten met nieuwe topologische materialen verwacht.

Dat zegt ook de Nederlandse natuurkundige Laurens Molenkamp die werkt aan de universiteit van Würzburg. Molenkamp publiceerde in 2007 het eerste experimentele bewijs voor het bestaan van een zogeheten topologische isolator, een kristal dat stromen in twee dimensies over hun oppervlak geleidt. Hij kreeg daar ondermeer een Fundamental Physics Prize van miljardair Yuri Milner voor en werd geregeld als kanshebber voor een Nobelprijs genoemd.

Molenkamp: 'Ik ben natuurlijk verheugd voor het vakgebied dat daar de Nobelprijs dit jaar valt.' Met name Haldane kent hij goed, ze spreken elkaar geregeld op conferenties. 'Duncan is een van de helden van het vak, ook wiskundig een geweldenaar en heel erudiet. Als hij spreekt, ga je er heen, in de hoop dat je er iets van begrijpt.' Molenkamp noemt het 'opmerkelijk' dat de Nobelprijs naar drie theoretici gaat. 'Vaak wil Stockholm toch ook experimentele bevestiging.'

Heel tastbare producten op basis van topologische verschijnselen zijn er nog niet, zegt emeritus hoogleraar Hans Mooij aan de TU Delft, die de theorieën van Thouless en Kosterlitz experimenteel toepaste. 'Het is meer dat ze het denken over vaste stoffen en stromen hebben opengebroken. Daardoor zie je op allerlei terreinen nieuwe dingen ontstaan. Waarvan er misschien ooit een heel bruikbaar wordt.'

Wie zit hier op te wachten?

Topologisch isolatoren zijn materialen die alleen over hun oppervlak stroom geleiden. Dat maakt ze tot superzuinige geleiders, waardoor schakelingen weinig energie verliezen als warmte. Onder bepaalde voorwaarden worden het supergeleiders, die geen enkele weerstand hebben. Daarnaast zijn de oppervlaktestromen gevoelig voor magnetische velden, waardoor de materialen bruikbaar kunnen zijn in sensoren en gevoelige koppen voor het aflezen van harddisks. Eigenschappen kunnen aan het oppervlak van een topologisch materiaal radicaal anders zijn dan binnenin; daardoor kunnen ze wellicht zelfs als koelelementen in elektronica worden ingezet.

Meer over

Wilt u belangrijke informatie delen met de Volkskrant?

Tip hier onze journalisten


Op alle verhalen van de Volkskrant rust uiteraard copyright. Linken kan altijd, eventueel met de intro van het stuk erboven.
Wil je tekst overnemen of een video(fragment), foto of illustratie gebruiken, mail dan naar copyright@volkskrant.nl.