Column Leo Kouwenho

Topologische twist

Op 4 oktober werd bekendgemaakt dat de Nobelprijs voor de Natuurkunde 2016 gaat naar David Thouless, Duncan Haldane en Michael Kosterlitz voor onderzoek naar ‘topologische quantumeigenschappen van materie’. Een mooie verrassing: de grondleggers van mijn vakgebied krijgen de Nobelprijs!

Van de drie laureaten heb ik alleen Haldane persoonlijk ontmoet. Aardige man, maar wel moeilijk om contact mee te krijgen. We werken op hetzelfde gebied maar met een totaal verschillende insteek en taal. Duncan is wiskundig en abstract. Ik meet en bouw topologische structuren. Het gat daartussen is zo groot dat ik van theoretisch natuurkundige collega’s zoals Carlo Beenakker uit Leiden extra uitleg nodig heb om gevoel te krijgen voor deze abstracte concepten.

Carlo was ook de eerste die me vertelde over ‘topologische Majoranaquantumtoestanden’. Een mond vol. Over quantumtoestanden staan mooie animaties op internet zoals deze op YouTube: ‘Dr. Quantum – Double Slit Experiment’. Het gaat over een elektron dat via een superpositie tegelijkertijd door twee openingen in een scherm gaat en aan de achterkant met zichzelf interfereert. Quantumdeeltjes kunnen dus tegelijkertijd door twee verschillende openingen, zelfs als die tot op grote afstand van elkaar gescheiden zijn. De animatie illustreert ook de rol van een waarnemer. Als de proef een aantal keer herhaald wordt en een waarnemer gaat bij een van de twee openingen zitten kijken of het elektron door die opening komt, dan ziet zij soms wel en soms niet een elektron voorbijkomen. De waarneming dwingt het elektron een van de twee openingen te kiezen waarmee de mogelijkheid voor een superpositie onderdrukt wordt en de interferentie uitdooft.

Majorana-deeltjes vormen een topologische quantumtoestand en daarop werkt een waarneming heel anders. Twee Majorana’s kunnen we ook in een superpositie zetten, zodat ze tegelijkertijd op twee verschillende plekken zijn. Als een waarnemer naar een van de twee Majorana’s kijkt dan… ziet hij helemaal niks, nooit! De eigenschappen van Majorana’s zijn namelijk lokaal niet zichtbaar. Daarvoor moet je naar beide Majorana’s tegelijkertijd kijken.

Een Möbiusring heeft dat ook. Zo’n ring heeft één twist. Als ik op één plek naar de ring kijk, weet ik niet of de ring nul, één of meerdere twists heeft, daarvoor moet ik naar de ring in z’n geheel kijken. De Möbiusring heeft een klassieke topologische toestand. Majorana’s zijn de quantumversie hiervan.

Wetenschappers als Haldane zijn misschien onbegrijpelijk, maar via de keten van een theoretisch natuurkundige als Carlo en mijn werk als experimenteel natuurkundige maken we over enkele decennia misschien allemaal gebruik van Majorana’s in onze elektronica. Zo vinden abstracte ideeën hun weg naar toepassingen die het dagelijks leven ingrijpend veranderen, zoals de computer en het internet dat ook gedaan hebben.

Onbegrijpelijke wetenschap vindt soms zijn weg naar alledaagse toepassingen

Leo Kouwenhoven is universiteitshoogleraar aan de TU Delft en wetenschappelijk directeur van QuTech.