Universiteit Leiden Universiteit Leiden

Nederlands English

Spinozapremie voor Jan Zaanen

Jan Zaanen, hoogleraar theoretische fysica van de gecondenseerde materie, krijgt een Spinozapremie. Zijn baanbrekende ideeën over het collectieve gedrag van kwantumdeeltjes en over hogetemperatuursupergeleiding maakten hem vaak tot ketter.

Socioloog van de kwantumwereld

Prof.dr. Jan Zaanen: 'Het echte werk gebeurt in het lab. Zijn er binnen tien jaar geen experimentele aanwijzingen, dan word je geacht je theorie te laten vallen. Anders wordt het religie.'

'Met anderhalf miljoen euro kan een theoretisch fysicus heel veel doen', zegt Zaanen. Onderzoekers uit Stanford, zijn Mekka, naar Leiden halen bijvoorbeeld. Of slimme Chinese wetenschappers, zoals hij daar tijdens zijn sabbatical leerde kennen. Op de Nederlandse natuurkunde is hij trots. 'Bekeken vanuit Amerika licht de Nederlandse natuurkunde binnen Europa op. En de Leidse fysici zijn steengoed.'

Kwantumdeeltjes

Zaanen bestudeert het collectieve gedrag van grote aantallen kwantumdeeltjes in vaste stoffen. De collectieve fenomenen die in vaste stoffen opduiken kunnen volgens Zaanen niet meer worden verklaard uit het gedrag van individuele deeltjes.

'De collectieve kwantumfysica kan wel eens veel georganiseerder zijn dan tot nu toe werd aangenomen', zegt hij. 'De psychologie van de kwantumdeeltjes begrijpen we redelijk. Maar nu moeten we de organisatorische principes van hun sociologie proberen uit te vissen. Dat blijkt heel moeilijk te zijn, en we zijn er nog lang niet klaar mee.'

Zijn vakgebied is een permanente uitdaging voor experimentele natuurkundigen, en notoir moeilijk uit te leggen aan leken. 'Voor Nature-lezers kan ik het nog net', zegt Zaanen, die als vaste gastschrijver van dat blad de nieuwste mijlpalen mag uitleggen.

Supergeleiding bij hoge temperaturen

Zaanens fascinatie voor de collectieve kwantumfysica, het grote thema in de huidige fundamentele natuurkunde, begon in 1986. In dat jaar bleek dat supergeleiding - stroom zonder weerstand - ook bij hogere temperaturen kon optreden dan vlak boven het absolute nulpunt. Lagetemperatuursupergeleiding was in 1911 al ontdekt door Kamerlingh Onnes, en in 1957 werd een kwantumtheorie ontworpen die dit verschijnsel kon verklaren. Sindsdien probeerden fysici de temperatuur uit alle macht omhoog te brengen tot een punt waarop koeling met vloeibaar stikstof mogelijk wordt, in plaats van met het dure helium.

Koperoxide

In 1986 lukte dat opeens, wat een ware hype veroorzaakte. In 1987 vond een Woodstock of Physics plaats met wel dertig parallelsessies over het onderwerp. Na 1986 werden de temperaturen waarbij supergeleiding mogelijk is nog meer opgekrikt, tot het in 1990 ophield bij 138 Kelvin, dat is  -135˚ Celsius.

Tot ieders verrassing bleek hogetemperatuursupergeleiding zich niet in een normaal metaal voor te doen, maar in speciale koperoxides. En over koperoxide ging toevallig ook het proefschrift van Jan Zaanen, waarop hij net was gepromoveerd. Hij had met behulp van een nieuwe spectroscopische techniek ontdekt dat elektronen in koperoxide een veel sterkere wisselwerking vertoonden dan de elektronen in eenvoudige metalen. De elektronenstructuur zag er daardoor heel anders uit.

30% van citatiescore

Zaanens proefschrift werd in de VS opgepikt, en gold al snel als één van de publicaties die je absoluut moest citeren, wilde je meetellen in de hype, die in totaal honderdduizend publicaties heeft opgeleverd. Zaanen: 'Daar heb ik ruwweg 30% van mijn citatiescore aan te danken. Het voordeel van de hype, die ook een heleboel onzin heeft opgeleverd, is wel geweest dat materialen gebaseerd op die oxides veel beter zijn bekeken dan anders ooit was gebeurd.'

Mysterie

Het grote probleem met de hogetemperatuursupergeleiding was dat de theorie voor lage temperatuur supergeleiding niet werkte. Hogetemperatuursupergeleiding was een mysterie, en is dat nog steeds.

Supergeleiding bij ultrakoude temperaturen komt tot stand doordat elektronen die nauwelijks met elkaar wisselwerken (het zogenoemde Fermi-gas) onder bepaalde omstandigheden toch paren gaan vormen, die met zijn allen in één grote kwantumgolf gaan zitten: het supergeleidende Bose-Einsteincondensaat. Bij hogetemperatuursupergeleiding gebeurt dit niet. Zaanen: 'De elektronen vormen in koperoxide geen Fermi-gas. Grote aantallen elektronen wisselwerken juist heel sterk met elkaar, en vertonen een heel onbekend collectief kwantumgedrag.'

Zaanen, Gunnarsson (1987): Elektronen komen tot stilstand in gestreepte patronen

'Stripe fighter'

In 1987 voorspelde Zaanen dat in koperoxides streepvormige patronen van elektronen zitten, de stripes. De stripes maakten Zaanen wereldberoemd, maar hebben ook een ware wetenschappelijke oorlog ontketend, die nog steeds niet is beslecht. Stripe fighter, beet zijn grote tegenspeler, de legendarische Nobelprijswinnaar Phil Anderson hem eens tijdens een picknick toe.

Stripes in statische vorm worden inmiddels routinematig waargenomen in de koperoxides. Maar deze stilstaande stripes zijn juist erg slecht voor de supergeleiding. Ondertussen zijn er echter veel experimentele aanwijzingen dat deze stripes ook aanwezig zijn in de beste supergeleiders, maar nu in een toestand van eeuwige kwantumbeweging op een tijdschaal van een picoseconde (10-12 seconde): de quantum stripes,  ook wel fluctuerende of dynamische stripes genoemd. Glashard bewezen zijn ze echter nog niet. Met een snelheid van 10-12 seconde kan nog niemand meten.

Raster tunneling microscoop opname van statische stripes (Kapitulnik, Stanford, 2002)

Ketterij

Zaanen: 'Door een rare speling van het lot kwamen, vlak nadat wij het eerste stripe paper weggestuurd hadden, de spinfluctuatiedata beschikbaar die nog steeds als belangrijkste aanwijzing gelden voor fluctuerende stripes. We hebben toen meteen de versie die van de referees terugkwam aangepast met een opmerking dat die data wezen op de aanwezigheid van dynamische stripes. Dit werd toen ontvangen als absolute ketterij. Na anderhalf jaar waren we gedwongen om het gevecht met de referees te staken. Dit was in 1987. Pas in 1995 werd het eerste bewijs geleverd voor het bestaan van statische stripes. Het duurde ook nog eens een hele tijd voordat dat geaccepteerd raakte, zeg tot 2000, deze keer zuiver en alleen vanwege de conservatieve trage massa van de gemeenschap.'

Kater

Met de belangstelling voor hogetemperatuursupergeleiding is het hollen of stilstaan geweest. De hype veranderde in een kater toen bleek dat lucratieve toepassingen er op korte termijn niet in zaten. Zaanen: 'Begin jaren '90 kon je het onderwerp hogetemperatuursupergeleiding maar beter niet meer noemen in subsidieaanvragen.' Een klein aantal fysici - 'een groepje gentlemen-fysici' - ging echter door, gebiologeerd door de wetenschap dat de conventionele regels van de kwantumfysica niet bleken te werken.

'Area to watch'

Nu staat de hogetemperatuursupergeleiding, juist door die fundamentele aspecten en de steeds verfijndere detectiemethoden, weer volop in de belangstelling. Het blad Science noemde het als een van de zeven areas to watch in 2006. En één van de leading figures in het onderzoek naar de supergeleiding bij hoge temperaturen is Zaanen, zo meldde  Nature Physics afgelopen maart.

Experimenten

'Als ik al dat gedoe in de experimentele gemeenschap niet veroorzaakt had, was ik er allang mee opgehouden', zegt Zaanen. 'Ik kom uit een richting die staat op experimenten. Het echte werk gebeurt in het lab. Zijn er binnen tien jaar geen experimentele aanwijzingen, dan word je geacht je theorie te laten vallen. Dan mag je jezelf als theoreticus niet serieus nemen. Dan wordt het religie.'

Als het gaat lukken de quantum stripes, en andere vormen van dat vreemde kwantumcollectieve gedrag, direct empirisch aan te tonen, betekent het volgens Zaanen een paradigmaverandering in de natuurkunde. 'Alles wat wij als fundamenteel ervaren, de natuurwetten, de algemene relativiteitstheorie van Einstein, de elementaire deeltjesfysica, zou wel eens ondergeschikt kunnen zijn aan die puur organisatorische principes van dat kwantumcollectieve gedrag.'

Zullen we ooit snel genoeg kunnen meten om fluctuerende stripes te 'vangen'?
 

Supergeleide laptop

Inmiddels heeft de onbegrepen hogetemperatuursupergeleiding wel tot een klein aantal toepassingen geleid. 'Als we twintig jaar geleden de technologie van nu zouden hebben gehad zou het anders zijn gegaan', aldus Zaanen. 'Nu zijn er een paar toepassingen. Maar het is heel duur, want voor de kabels, die gekoeld worden met stikstof, heb je zilver nodig. In Chicago is één kabel waar de elektriciteit voor half Chicago doorheen gaat. Een enorme ruimtebesparing. De enige die er echt in heeft geïnvesteerd is de US Navy, omdat generatoren op schepen zo veel kleiner kunnen worden. En op de Universteit Twente hebben ze alle materiaal in huis voor een supergeleide laptop, met een koelkastje op chip. Investeerders in Silicon Valley kijken daar geïnteresseerd naar, want gewone laptops worden over tien jaar niet sneller meer. Het vergt wel een miljardeninvestering.'

(13 juni 2006/HP)