8 minute read
Vreemd spul Delta ITP
Stof tot nadenken
In het onderzoek van Delta ITP staan drie vreemde vormen van materie centraal: quantummaterie, topologische materie en donkere materie. Een beter begrip van deze mysterieuze materialen kan leiden tot een revolutie in de natuurkunde.
Tekst: Yannick Fritschy
Materie. De natuurkunde draait om materie. De quantummechanica, de maxwellvergelijkingen, de relativiteitstheorie: de afgelopen eeuwen zijn er prachtige theorieën ontwikkeld om het gedrag van de materie om ons heen te beschrijven. Toch zijn er nog heel wat vormen van materie die we niet goed doorgronden. Ze bevinden zich op het grensvlak van verschillende vakgebieden, zoals quantummaterie. Of ze zijn pas vrij recent ontdekt, zoals topologische materie. Of ze zijn zelfs nog nooit rechtstreeks waargenomen, zoals donkere materie.
Deze drie mysterieuze materietypen staan centraal in het onderzoek van Delta ITP. Wat is hierover de afgelopen tijd ontdekt? En wat staat ons de komende jaren te wachten?
Quantummaterie
Waar een roestig stukje koper al niet goed voor kan zijn. Eind jaren tachtig bleek dit materiaal, vermengd met lanthaan en barium, supergeleidend bij 35 graden boven het absolute nulpunt. Die zogenoemde kritische temperatuur lag een stuk hoger dan die van de supergeleiders die daarvoor bekend waren. Als natuurkundigen de temperatuur waarbij een materiaal supergeleidend wordt nog verder konden opkrikken, wellicht helemaal tot kamertemperatuur, zouden de toepassingen onbeperkt zijn.
Maar hoe beter natuurkundigen de nieuwe supergeleiders bestudeerden, hoe meer dingen ze zagen die ze niet wiskundig konden verklaren. Nu, ruim dertig jaar later, kunnen ze dat nog steeds niet.
RÖNTGEN: NASA/CXC/CFA/M.MARKEVITCH, OPTISCH/LENSING MAP: NASA/STSCI, MAGELLAN/U.ARIZONA/D.CLOWE, LENSING MAP: ESO WFI
Momenteel vindt er een stille revolutie plaats op weg naar een wiskundig raamwerk van de quantummechanica
Het probleem is dat het geheel meer is dan de som der delen. Het gedrag van de individuele deeltjes in supergeleidende materialen is te beschrijven met de quantummechanica. Uit die theorie volgt bijvoorbeeld dat deeltjes verstrengeld kunnen zijn. Dat betekent dat hun eigenschappen onlosmakelijk met elkaar verbonden zijn. Maar hoe meer deeltjes je hebt, hoe groter de complexiteit van die verstrengelingen wordt. Al gauw is die niet meer bij te benen.
Nu is dat bij alle materialen het geval. Maar bij de meeste materialen die we kennen, hoef je je niet druk te maken om de verstrengeling van de individuele deeltjes. Bij grote hoeveelheden vallen dergelijke quantumeigenschappen namelijk weg.
De laatste jaren begint eindelijk duidelijk te worden waarom de warme supergeleiders zo moeilijk te beschrijven zijn: in zulke materialen zijn de individuele deeltjes vermoedelijk nog wél met elkaar verstrengeld. Er lijkt daarmee sprake van een geheel nieuwe klasse van materialen, stelt fysicus Jan Zaanen van de Universiteit Leiden. Hij noemt het quantum supreme matter.
Om deze materie in formules te vangen, moet je de quantumwetten die de individuele deeltjes beheersen ook kunnen toepassen op macroschaal. Maar dan worden de berekeningen veel te complex. Die zou je alleen kunnen uitvoeren als je een computer hebt die zélf met verstrengelde deeltjes rekent, oftewel een quantumcomputer. Maar die is nog lang niet zover.
Gelukkig is er hulp uit onverwachte hoek: de snaartheorie. Eind jaren negentig ontdekten snaartheoretici een link tussen de veldtheorieën die in de quantummechanica
worden gebruikt en Einsteins algemene relativiteitstheorie. Nu is dat niet de meest voor de hand liggende link: de veldtheorieën staan in verband met een zogeheten Anti-de Sitter-ruimte. Oftewel: een ruimte met een extra dimensie en een kromming die volledig afwijkt van de ruimte waarin wij leven. Maar ondanks deze vreemde eigenschappen bleek de AdS/CFT-correspondentie (Anti-de Sitter/Conformal Field Theory) zo’n tien jaar geleden ook van toepassing op quantummaterie.
Dankzij AdS/CFT kun je de eigenschappen van quantummaterie onderzoeken zonder de materie zelf te bestuderen. In plaats daarvan bestudeer je verschijnselen in de corresponderende Anti-de Sitter-ruimte. ‘Je gebruikt dan postmoderne zwarte gaten om materie te beschrijven’, zegt Zaanen.
Volgens Zaanen vindt er momenteel een ‘stille revolutie’ plaats op weg naar een wiskundig raamwerk van quantummaterie. Maar om die revolutie te voltooien, zijn quantumonderzoekers wel genoodzaakt zich meer te verdiepen in snaartheorie. Daarnaast is het aan experimentalisten om aan te tonen dat quantum supreme matter inderdaad een nieuwe klasse van materie is. En hopelijk kunnen quantumcomputers in de nabije toekomst het gedrag van dergelijke materie simuleren.
Te midden van al die disciplines ziet Zaanen zichzelf als een bruggenbouwer. ‘Ik doe aan fysica uit hedonisme – mijn brein wordt door niets anders zo vermaakt’, zegt hij. ‘Ik ben dan ook uiterst promiscue: ik werk graag met experimentalisten, programmeurs en snaartheoretici.’
Topologische materie
Mogelijk komt het onderzoek naar quantummaterie binnenkort in een stroomversnelling dankzij ander onderzoek van Delta ITP, gericht op de quantumcomputer. Deze computer moet bepaalde berekeningen veel sneller kunnen uitvoeren dan gewone computers. Dat komt doordat het apparaat gebruikmaakt van de eigenschappen van quantumdeeltjes. De quantum bits of qubits waarmee zo’n quantumcomputer rekent, kunnen niet alleen een waarde van 0 of 1 aannemen, zoals traditionale bits, maar ook alles ertussenin. Bovendien kunnen die qubits elkaar dankzij verstrengeling op afstand rechtstreeks beïnvloeden.
De quantumcomputerbelofte is alleen lastig in te lossen. Er zijn verschillende materialen die dienst kunnen doen als qubit, maar die zijn allemaal erg gevoelig voor verstoringen van buitenaf. Er hoeft maar iets te gebeuren, of de qubits verliezen de quantumeigenschappen waarop hun berekeningen gebaseerd zijn.
Om dit probleem op te lossen, wenden natuurkundigen zich tot een type materie dat we pas sinds begin deze eeuw een beetje begrijpen: topologische materialen. De bekendste daarvan zijn topologische isolatoren. Dat zijn materialen die aan de binnenkant geen stroom geleiden, maar aan de buitenkant wel. Het mooie is: die stroomgeleiding aan de buitenkant is volstrekt niet
Aantekeningen van Georg Bednorz, die in 1987 samen met Alex Müller de Nobelprijs voor de natuurkunde kreeg voor de ontdekking van hogetemperatuursupergeleiding.
gevoelig voor verstoringen. ‘Het is alsof je een knoop in een touw legt in plaats van een lus’, zegt natuurkundige Kareljan Schoutens van de Universiteit van Amsterdam. ‘De elektronen vormen een soort quantumknoop. Die is niet snel kapot te krijgen.’
Dankzij die robuustheid zijn topologische materialen de gedroomde bouwsteen voor de quantumcomputer. Maar de praktijk is weerbarstig. Hoewel er vooruitgang is geboekt, onder andere door het instituut QuTech in Delft, is het nog niet gelukt dit soort qubits in het lab te maken.
‘Van andere qubits is de fysica bekender. Hiervoor moeten we eerst een nieuw natuurverschijnsel verkennen’, zegt Schoutens. De belofte van robuustheid is echter zo groot dat het onderzoek volgens hem uiteindelijk wel zijn vruchten zal afwerpen. De vraag is alleen wanneer. ‘Daarover verschillen de meningen’, zegt Schoutens. ‘Als theoreticus vind ik dat moeilijk te zeggen. Ik begrijp precies hoe het zou moeten werken, maar het blijkt moeilijk te realiseren.’
Donkere materie
Het blijkt dus lastig om nieuwe vormen van materie te doorgronden. Maar wat als je de te onderzoeken materie niet eens in handen hebt? En eigenlijk geen idee hebt waar hij uit bestaat? Dat is de situatie waarin kosmologen zich nu bevinden. Het standaardmodel van de kosmologie bevat namelijk een aanvlak na de oerknal zijn ontstaan. En dan zijn er ook nog natuurkundigen die denken dat donkere materie helemaal niet bestaat en dat we in plaats daarvan onze zwaartekrachttheorie moeten aanpassen. ‘We weten dus eigenlijk niets’, zegt Baumann.
De hoop is nu vooral gevestigd op zwak koppelende deeltjes. Dat zijn hypothetische deeltjes met een vergelijkbare massa als de deeltjes die we kennen. Ze zouden heel weinig op andere deeltjes reageren, wat verklaart dat we ze ondanks hun mondaine massa nog nooit hebben gezien. ‘Via zwaartekrachtgolven kunnen we zoeken naar sporen van dit soort deeltjes’, zegt Baumann. Hij verwacht dat donkere materie ondanks alle onzekerheid binnen vijf à tien jaar gevonden wordt. ‘Dat roep ik al tien jaar, maar toch. Ik denk dat het gewoon een deeltje is dat we zullen vinden.’
tal onverklaarbare elementen, waaronder donkere materie.
Donkere materie is een onbekende vorm van materie die onder andere de beweging van sterrenstelsels beïnvloedt. De meeste natuurkundigen zijn ervan overtuigd dat het spul bestaat, maar het is nog nooit waargenomen – niet rechtstreeks en ook niet door het te maken met deeltjesversnellers. ‘Het probleem is eigenlijk alleen maar groter geworden’, zegt kosmoloog Daniel Baumann van de Universiteit van Amsterdam. ‘Tien jaar geleden dachten we allemaal dat WIMPs de oplossing waren.’ Dat zijn weakly interacting massive particles, oftewel zware deeltjes die nauwelijks interacties aangaan met andere deeltjes. Maar WIMPs zijn nooit gevonden, terwijl veel experimenten ze, als ze bestaan, wel hadden kunnen meten.
En dus kijken onderzoekers nu verder. De voorgestelde oplossingen variëren van extreem lichte deeltjes tot zwarte gaten die
Snaartheorie
De afgelopen jaren is er al met al een hoop nieuwe kennis vergaard over materie, maar zijn er ook een hoop nieuwe problemen bijgekomen. Wat nu als je één theorie hebt die al die problemen in één klap oplost?
Jarenlang was snaartheorie zo’n gedroomde ‘theorie van alles’. Inmiddels lijkt het erop dat de theorie, hoewel ze zich steeds verder ontwikkelt, die hooggespannen verwachtingen niet kan waarmaken. ‘Toen ik vijftien jaar geleden mijn promotieonderzoek deed, dacht ik dat we met snaartheorie verder waren dan we nu zijn’, zegt Baumann. ‘Snaartheorie is vooral succesvol bij hoge energieën. Bij de lage energieën die we om ons heen zien, schiet de beschrijving helaas tekort.’ Toch ziet Baumann snaartheorie nog steeds als de way to go. ‘Er is geen goed alternatief. Andere theorieën zijn zelfs niet goed gedefinieerd bij hoge energieën.’
Of het nu via snaartheorie gaat of niet: het ultieme doel van natuurkunde blijft het vinden van één spelregelboekje waarin het gedrag van alles om ons heen staat beschreven. En met hun onderzoek naar vreemde vormen van materie zetten de Delta ITP’ers geruisloos stapjes richting dat ultieme doel – geduldig wachtend op die ene doorbraak die alles verheldert.
