Universiteit Leiden Universiteit Leiden

Nederlands English

Nobelprijs Natuurkunde naar ex-Lorentzhoogleraar

De Nobelprijs voor Natuurkunde 2016 gaat naar David Thouless, Michael Kosterlitz en Duncan Haldane voor theoretische ontdekkingen in het veld van topologische materialen. Haldane werkte een deel van 2008 in Leiden; hij is de 14e Lorentzhoogleraar met een Nobelprijs.

Lorentzhoogleraar

Duncan Haldane werkte een deel van 2008 in Leiden als Lorentz Professor. ‘Het was geweldig om met hem te werken en we zijn goede vrienden geworden,’ zegt Leids theoretisch fysicus Jan Zaanen. ‘Hij deed zelfs een grote ontdekking tijdens zijn periode hier: verstrengelingsentropie voor topologische geordende systemen. Ik gun deze prijs hem zó. Heel terecht. Hij en Thouless waren hun tijd ver vooruit. Voor de Kosterlitz-Thouless ontdekking verwachtte ik eigenlijk al heel lang een Nobelprijs. Ik ben meer verrast dat het niet eerder gebeurde.’

Zuinige geleiders

De Nobelprijs is toegekend in het veld van topologische materialen, die elektriciteit alleen aan hun oppervlak geleiden. Daardoor gaat er weinig energie verloren en zijn ze zuinig in hun stroomverbruik. Onder de juiste condities zijn ze zelfs te gebruiken als supergeleiders, die totaal geen elektrische weerstand hebben. Verder zouden deze materialen wel eens de bouwsteen kunnen vormen voor toekomstige kwantumcomputers. 

Kwantum-Hall-effect

We zijn gewend om eigenschappen toe te kennen aan een materiaal zoals we het ervaren in onze alledaagse wereld; als driedimensionale objecten. Maar als je kijkt naar extreem dunne, ‘tweedimensionale’ lagen, zie je compleet nieuwe natuurkundige verschijnselen bij ijskoude temperaturen in sterke magneetvelden. Een bekend voorbeeld is het kwantum-Hall-effect: een verandering van het magnetisch veld beïnvloedt de elektrische geleiding, maar alleen stapsgewijs.

Topologische fasen

Thouless en Haldane verklaarden dit effect via het wiskundige veld topologie. In topologie worden objecten geclassificeerd volgens het aantal gaten. Een koffiekopje is daarom gelijk aan een donut, omdat ze beide één gat hebben. En een bal zit in dezelfde categorie als een pan vanwege hun gebrek aan gaten. Het aantal gaten kan slechts een geheel getal zijn, dus deze parameter gaat stapsgewijs omhoog. Thouless en Haldane koppelen tweedimensionale lagen en ééndimensionale ketens op een slimme manier aan dit principe, en leidden af dat hun eigenschappen ook alleen in stappen veranderen (zie figuur 1).

Faseovergangen

Naast de ontdekking van topologische fasen van materie, wordt de Nobelprijs 2016 ook toegekend voor de ontdekking van topologische faseovergangen, door Thouless (nogmaals) en Kosterlitz. Topologische fasen zijn niet te vergelijken met de welbekende vaste, vloeibare en gasfase. Ze doen zich voor bij extreem lage temperaturen in tweedimensionale lagen en zijn te herkennen aan draaikolken in de zee van atomaire magneetjes die samen het materiaal vormen (zie figuur 2). Als de temperatuur iets omhoog gaat, raakt een nauw verbonden paar draaikolken gescheiden en ontstaan er losse draaikolken. Deze faseovergang is een universeel verschijnsel voor elke soort materie, wat het tot een belangrijke ontdekking maakt.

Figuur 1: Net zoals het aantal gaten alleen stapsgewijs kan oplopen in gehele getallen, gaat de elektrische weerstand van tweedimensionale lagen ook stap-voor-stap omhoog, zoals beschreven door het kwantum-Hall-effect. De nobelprijslaureaten hebben deze connectie gemaakt.
Figuur 2: In een topologische faseovergang raakt een nauw verbonden paar draaikolken gescheiden, zodat losse draaikolken overblijven. Deze ontdekking leidt tot een halve Nobelprijs.