Spinozawinnaar Bart van Wees
‘Ik ben een beetje lui’
De Spinozaprijs voor Bart van Wees is voor insiders geen verrassing. Van Wees is verantwoordelijk voor vele doorbraken op het gebied van kwantumgeleiding.
Hij toonde ‘gekwantiseerde geleiding’ experimenteel aan: dat in nanodraden elektrische geleiding stapsgewijs afneemt als je ze dunner maakt.
In Groningen houdt hij zich bezig met spintronics. Elektronen hebben een kwantummechanische spin, waardoor ze zich gedragen als kompasnaald.
Die magneetjes kun je gebruiken om informatie op te slaan of te versturen.
Van Wees zoekt praktische toepassingen, voornamelijk door te kijken naar de spin in grafeen – een laagje koolstof van één atoom dik.
Spinstromen kun je gebruiken om materialen met verschillende eigenschappen slim te combineren. Bijvoorbeeld dingen opslaan, berekenen en communiceren tegelijk.
Leestijd: 8 minuten (1080 woorden)
Bart van Wees houdt niet van heisa en kabaal. De uitreiking van de Spinozapremie – een kroon op zijn levenswerk – kan hem dan ook niet snel genoeg voorbij zijn. Natuurlijk is hij wel vereerd met de prijs, zeker vanwege de hevige concurrentie: ‘Op het gebied van nanoscience is Nederland echt een hoogvlakte, dus er waren nog wel meer kapers op de kust.’
Toch is zijn uitverkiezing voor insiders geen verrassing. Sterker nog: terwijl Van Wees verwoed zijn best deed om het nieuws geheim te houden – dat is de eis van organisator NWO – en alleen zijn secretaresse op de hoogte had gesteld, wist zijn groep het allang. Waarom? ‘De deur van de secretaresse ging dicht’, vertelt hij. ‘Dus toen wisten ze het al.’
Doorbraken
Van Wees is dan ook verantwoordelijk voor vele doorbraken op zijn vakgebied. Hij was bijvoorbeeld de eerste die zogenoemde gekwantiseerde geleiding experimenteel aantoonde. Dit is het fenomeen dat in nanodraden de elektrische geleiding stapsgewijs afneemt als je ze dunner maakt. Een principe dat je nu in alle tekstboeken in het vakgebied terug kunt vinden. En dat was nog maar tijdens zijn promotieonderzoek.
Hij had al vroeg besloten dat hij natuurkunde wilde studeren. Scheikunde was te divers, wiskunde te beperkt en biologie te rommelig, dus bleef natuurkunde over. ‘Ik ben een beetje lui, maar ik verveel me ook snel’, legt hij uit. ‘Natuurkunde was de perfecte keuze.’
Kompasnaaldjes
En ja, onderzoek is wél geschikt voor luie mensen, althans, als je Van Wees heet. Hij richt zich namelijk alleen op het onderzoek dat hij graag wil doen en waar hij goed in is. ‘Wij gebruiken veel verschillende materialen, maar die maak ik niet zelf. Dat is niet mijn expertise, dus dan kan ik beter samenwerken met mensen die het wel kunnen.’
Tegenwoordig houdt hij zich bezig met een relatief nieuw vakgebied: spintronica. Spintronica kijkt naar een kwantummechanische eigenschap van elektronen, hun spin. Elk elektron draait, of spint, om zijn eigen as en heeft een magnetisch veld – als een soort kompasnaaldje. Deze spin kan twee waarden aannemen: hij kan naar boven wijzen (spin-up) of naar beneden (spin-down). En waar het echt interessant wordt: je kunt deze kleine magneetjes gebruiken om informatie op te slaan of te versturen. Alle computers en telefoons maken tegenwoordig gebruik van spintronica.
Spinnen in grafeen
Het lab van Van Wees houdt op dit moment het wereldrecord ‘spinstromen’. Een spinstroom legde in zijn lab 24 micrometer af – 24 duizendste millimeter. Klinkt niet heel indrukwekkend, maar het is wel mooi de langste afstand die een spinstroom ooit heeft afgelegd en groot genoeg om bruikbaar te zijn in elektronische toepassingen. Maar het kan beter. ‘In theorie kunnen spinstromen bijna een millimeter ver komen’, zegt Van Wees.
Al sinds het jaar 2000 specialiseert Van Wees zich in deze richting. Hij maakt nanodevices uit verschillende materialen om te kijken hoe de spinstromen zich gedragen. Daarbij werkt hij veel met grafeen, een netwerk van tweedimensionaal koolstof van maar één atoom dik. ‘Grafeen kan spinstromen het verste transporteren bij kamertemperatuur, dus het is voor ons het beste materiaal’, vertelt Van Wees. ‘Wij werken als het even mogelijk is op kamertemperatuur, want dan heb je nog een mogelijkheid voor toepassingen.’
Interessante ontdekking
Een heel interessante ontdekking deed de groep van Van Wees toen ze lieten zien dat je via spintronica informatie door een isolator kunt overbrengen. De elektrische spin bereikt de isolator, wordt omgezet in een spingolf die de andere kant bereikt en dan weer wordt omgezet in een elektrische spin.
De belangstelling voor het praktisch benutten van zijn kennis zorgt ook dat Van Wees een werkgroep leidt binnen het EU Flagship Project Graphene. Daar zoekt hij samen met andere onderzoeksgroepen en bedrijven naar toepassingen voor spintronica in grafeen. Maar we moeten niet verwachten dat de elektrische stromen in onze telefoon binnen een paar jaar worden vervangen door spinstromen. ‘Ik denk eerder aan toepassingen waarbij je materialen met verschillende eigenschappen slim kunt combineren’, zegt Van Wees. ‘Bijvoorbeeld een apparaatje dat dingen kan opslaan, berekeningen kan doen en ook nog kan communiceren. Nu gebeuren al die processen nog in aparte onderdelen, maar door materialen op een slimme manier te combineren, kan het misschien wel in één device.’
Bescheiden
Zelf is de natuurkundige erg bescheiden over zijn prestaties: ‘Als je slimmer bent dan je collega’s in bijvoorbeeld China, kun je in dit vakgebied best redelijke doorbraken bereiken zonder dat je daar ontzettend veel experimenten voor hoeft te doen.’
Op de RUG kun je op een redelijk niveau met ambitieuze mensen praten. En de studenten vallen uiteindelijk ook wel mee.
Zo was een van zijn meest geciteerde artikelen eigenlijk heel triviaal, zegt Van Wees. ‘We hebben aangetoond dat elektronenspins de weg van de minste weerstand kiezen. Dat doen water en elektrische stroom ook, dus zo bijzonder is het niet.’
24 jaar werkt hij nu in Groningen en is hij hoofd van de nanodevices-groep – een onderdeel van het Zernike Institute for Advanced Materials. Samen met zijn collega’s Caspar van der Wal en Tamalika Banerjee geeft hij leiding aan een groep van veertig personen. Een grote groep voor een man die naar eigen zeggen ‘niet zo sociaal’ is. Maar hij geniet wel van zijn werk: ‘Je kunt op een redelijk niveau met ambitieuze mensen praten, dat bevalt mij wel. En de studenten vallen uiteindelijk ook wel mee.’
Een deel van zijn Spinozapremie gaat waarschijnlijk op aan het onderzoek naar deze gecombineerde devices. Waar hij de rest van de 2,5 miljoen euro in gaat stoppen, weet hij nog niet. ‘Ik vind het wel fijn dat er geen label aan zit. Ik ga de komende tijd even rustig nadenken wat ik zou willen doen en dan zie ik wel wat er op mijn pad komt.’
De wet van Moore
In de elektronica is de wet van Moore algemeen bekend. In 1965 voorspelde Gordon Moore, een van de oprichters van chipfabrikant Intel, dat het aantal transistoren in een geïntegreerde schakeling elke twee jaar zou verdubbelen. En hoe meer transistoren, hoe sneller de chip werkt. Tot nu toe kunnen chipfabrikanten aan deze wet voldoen door de bestaande technieken steeds kleiner te maken, maar het lijkt erop dat de limiet snel wordt bereikt. Daarom kijken veel mensen naar nanotechnologie. De devices van Van Wees kunnen zomaar de volgende stap zijn, voorbij de wet van Moore, maar zo ver is het nog niet. ‘We moeten eerst alles op atomair niveau begrijpen’, zegt Van Wees. ‘Als dat lukt kunnen we kijken of we het weer kunnen opschalen. En dan is micro-elektronica niet ons eerste doel, we willen eerst multifunctionele devices maken.’