‘Ik vind het geweldig om elegante ideeën in werking te zien in de echte wereld’

Het was een feestelijke dag voor de Universiteit Leiden. In het eeuwenoude Academiegebouw waren op 11 december twee jubilea. Er werd gevierd dat twee jonge Leidse fysici honderd jaar geleden het verschijnsel ‘spin’ – een cruciaal ingrediënt van de quantum­mechanica – ontdekten en dat de Nederlandse natuurkundige en Nobelprijs­winnaar Hendrik Antoon Lorentz exact 150 jaar geleden in Leiden promoveerde. Ter ere daarvan reikte de Koninklijke Nederlandse Akademie van Wetenschappen (KNAW) de vierentwintigste Lorentzmedaille uit aan Charles Kane, hoogleraar natuurkunde aan de University of Pennsylvania.

Kane’s werk past zowel bij het quantum­jubileum als bij dat van theoreticus Lorentz. De medaille ontving hij voor zijn visionaire theoretische onderzoek naar materiaal­eigenschappen op quantumniveau dat het begrip van quantum­materialen ingrijpend veranderd heeft.

Kane is een van de grondleggers van zogeheten topologische isolatoren – materialen met de bijzondere eigenschap dat ze van binnen elektrisch isolerend zijn maar aan hun oppervlak wel geleiden. Een mogelijke toepassing is spintronica, een energie-efficiënter alternatief voor elektronica. Het idee voor zogeheten topologische supergeleiders dat daaruit volgde, biedt mogelijkheden voor toekomstige quantum­computers.

„Wat ik mooi vind aan mijn vakgebied is dat het zeer elegante theoretische concepten omvat – waar ik als wiskunde­liefhebber dol op ben – die bovendien bestudeerd kunnen worden met experimenten”, vertelt Kane voorafgaand aan de uitreiking in een rustige kamer in het Academiegebouw. „Ik vind het geweldig om elegante ideeën in werking te zien in de echte wereld.”

Ik houd van de wiskunde die echte, natuurkundige fenomenen beschrijft

U voert die experimenten niet zelf uit?

Lacht. „Nee, ik ben een theoretisch natuurkundige. Ik houd van de wiskunde die echte, natuurkundige fenomenen beschrijft. Het laboratoriumwerk dat ik als bachelorstudent moest doen was doorslaggevend. Daar was ik niet goed in en ik vond experimenten bouwen niets. Ik vond het wel heel leuk om te leren hoe het theoretisch werkt.”

Uw vakgebied is de fysica van gecondenseerde materie. Wat houdt dat in?

„Op een praktisch niveau begrijpen we de bouwstenen van materie – elektronen en atoomkern­deeltjes – en de wetten van elektro­magnetisme en quantum­mechanica die daar een rol spelen. Maar wat die kennis je niet vertelt, is wat er gebeurt als je veel van die bouwstenen bij elkaar hebt. Je hebt een nieuwe manier nodig om na te denken over de fenomenen die dan ontstaan door collectief gedrag. Philip Anderson, een van de grondleggers van het gecondenseerde-materie­onderzoek, vatte dit samen als: ‘meer is anders’.”

In 2005 voorspelde u met Eugene Mele het bestaan van topologische isolatoren. Hoe kwam u op dat idee?

„Het was een toevallige ontdekking. In die tijd deden Mele en ik onderzoek naar grafeen: een tweedimensionaal laagje koolstof van één atoom dik. Rond 2004 lukte het fysici om losse grafeen­velletjes te maken. Dat interesseerde ons, omdat we al ervaring hadden met onderzoek aan koolstof nanobuisjes – een soort rietjes van opgerolde grafeen­velletjes.

„Grafeen is bijzonder omdat het precies op de grens zit tussen een elektrische geleider, waarin elektronen vrij kunnen bewegen, en een isolator, waarin elektronen vastzitten. Ik vroeg me af hoe dat kan. Daarom werkte ik aan een theoretische beschrijving. Toen ik daaraan de quantum­eigenschap spin van de elektronen toevoegde, bleek dat grafeen een isolator zou moeten zijn. In de praktijk is dat niet zo, omdat het spineffect dat daarvoor zorgt in grafeen minuscuul is en dus geen rol speelt. Toch fascineerde het me.

„Vervolgens had ik wat geluk of serendipiteit. Ik was namelijk toevallig bekend met het zogeheten quantum-hall-effect, dat in de jaren tachtig ontdekt is. Dat beschrijft het quantum­gedrag van elektronen in een tweedimensionaal systeem bij een sterk magnetisch veld. Ik ontdekte een verband tussen het quantum-hall-effect en mijn theoretische beschrijving van isolerend grafeen.

„Ik vond dat zo interessant dat ik er obsessief mee bezig ging. Ook al wist ik niet of het tot experimenteel meetbare resultaten zou leiden. Dit bracht ons op het idee van topologische isolatoren, waarbij quantum­gedrag van elektronen zorgt voor elektrische isolatie binnen in een materiaal en geleiding op het oppervlak. Ik had toen niet door dat we iets belangrijks op het spoor waren. Het leek me vooral een cool theoretisch idee.”

Ik wilde het liefst interessante theorieën ontwikkelen die belangrijk zijn voor de echte wereld

Een paar jaar later werden topologische isolatoren experimenteel aangetoond in verschillende materialen. Is dat uitzonderlijk?

„Binnen ons vakgebied is dat zeldzaam. Meestal is er eerst een experimentele ontdekking waarna er een verklarend theoretisch model komt. En theoretisch natuurkundigen hebben twee opties: je kunt interessante natuurkunde onderzoeken, of natuurkunde die relevant is voor experimenten. Die twee overlappen meestal niet. Ik wilde het liefst beide doen en interessante theorieën ontwikkelen die belangrijk zijn voor de echte wereld. Ik heb het geluk gehad dat ik de kans kreeg om dat te doen. Maar ik heb het niet alleen gedaan. Laurens Molenkamp van de Julius Maximilians-Universität in Würzburg deed bijvoorbeeld de eerste experimenten en er waren belangrijke theoretische bijdragen van Shoucheng Zhang van Stanford University.”

In 2007 stelde u een manier voor om topologische supergeleiders te maken. Wat zijn dat?

„Een van de grote uitdagingen op dit moment is het bouwen van een quantum­computer. Waar gewone computers bestaan uit bits, die een of nul zijn, bestaan quantum­computers uit quantumbits of qubits die tegelijkertijd één en nul kunnen zijn. Dat maakt bepaalde berekeningen mogelijk die gewone computers niet kunnen. Maar qubits zijn kwetsbaar. Als je ernaar kijkt, maak je ze kapot. Natuurkundige Alexei Kitaev heeft het ingenieuze idee bedacht om qubits te beschermen door ze als het ware in tweeën op te splitsen. Dat is mogelijk met een zogeheten topologische supergeleider waarin je twee uiteinden hebt die samen één qubit vormen. Die uiteinden heten majorana­toestanden of majorana­deeltjes. Mijn bijdrage is dat ik een praktische manier bedacht heb waarmee je een dergelijke topologische supergeleider kunt maken door een gewone supergeleider en een topologische isolator te combineren.”

Wetenschappers en bedrijven, zoals Microsoft, proberen al jaren die majoranadeeltjes te maken met quantumcomputers als doel. Tot nu toe lijkt dat nog niet gelukt. Denkt u dat het mogelijk is?

„Het is misschien al gelukt, maar er is nog geen sluitend, overtuigend bewijs. Er zijn meerdere claims geweest. Daarover is nu veel controverse. Ik denk dat die onderzoekers oprecht geloofden dat het ze gelukt was, maar het is een lastig probleem en een grote experimentele uitdaging. Je houdt jezelf gemakkelijk voor de gek.

Toch heb ik er nog steeds vertrouwen in dat het mogelijk is om deze majorana­deeltjes te maken. Of dat ook de beste techniek is voor quantum­computers, zal moeten blijken. Maar dat is een ingenieurs­vraagstuk en dat is niet mijn expertise. Ik denk graag op een fundamentele manier na over wat er in theorie mogelijk is. Daar vervolgens iets praktisch bruikbaars van maken, is een andere tak van sport.”