Ingmar Swart benoemd tot hoogleraar Experimental Quantum Materials

Op 1 april 2024 werd Ingmar Swart officieel aangesteld als hoogleraar Experimental Quantum Materials aan de Universiteit Utrecht. In zijn lab bouwt hij materialen atoom voor atoom, om vervolgens de elektronische eigenschappen van deze structuren te onderzoeken. “Wat mij vooral drijft, is de mogelijkheid om als eerste in de geschiedenis van de mensheid te ontdekken hoe iets werkt.”

Ingmar Swarts werkplek in het Ornsteinlaboratorium weerspiegelt zijn achtergrond in de fundamentele natuurwetenschappen. Hij wijst naar een kunstwerk aan de muur. “Dit is een schilderij dat het dopplereffect uitbeeldt. De natuurkundige Buys Ballot deed in Utrecht onderzoek naar dit fenomeen. Toen was het onderzoek zonder enige praktische toepassing, maar tegenwoordig wordt het dopplereffect onder andere gebruikt bij het maken van radarbeelden en echo’s.” Volgens Swart laat dit zien dat fundamenteel onderzoek soms pas veel later haar vruchten afwerpt. “Je kunt nooit voorspellen wat voor toepassing zoiets in de toekomst kan hebben.”

Er is nog iets dat opvalt in de ruimte. Voorbij het schilderij, achterin de kamer staat een rollator. “Die kan hopelijk binnenkort wel weg, maar ik heb bijna anderhalf jaar geleden een heftig fietsongeluk gehad, waarbij ik een dwarslaesie opliep”, vertelt Swart. “Daardoor liep ik ineens tegen allerlei hindernissen aan waarvan ik niet wist dat ze bestonden. Om bijna twee jaar later aan de slag te gaan als hoogleraar, is dan extra speciaal.”

Atoom voor atoom bouwen

In zijn lab ontwikkelt Swart met zijn team kwantummaterialen, om vervolgens de eigenschappen van deze materialen op een fundamenteel niveau te bestuderen. Het opvallende hieraan is dat de onderzoekers werken op nanoschaal: met behulp van een scanning-tunneling microscoop kunnen ze materialen atoom voor atoom opbouwen. De microscoop werkt met een haarscherpe naald waarmee je als het ware atomen naast elkaar kunt schuiven. “Zo kun je bijvoorbeeld een rij van vier atomen naast elkaar schuiven en de eigenschappen van deze rij bestuderen. Hoe sterk is het geheel? Geleidt het goed of slecht? Maar je kunt ook onderzoeken wat er verandert wanneer je er één atoom bij schuift, een atoom weghaalt, of het geheel van vorm verandert.”

Zwermen elektronen

Swart is vooral geïnteresseerd in de elektronische eigenschappen van deze atoomopstellingen. Daarvoor bestudeert hij waar elektronen zich bevinden en hoe deze bewegen in een materiaal. “In de natuurkunde begrijpen we nog niet goed hoe meerdere elektronen met elkaar samenwerken. Bestaande kennis over elektronen is vaak gebaseerd op theorieën en metingen van losse elektronen. Daardoor begrijpen we bijvoorbeeld waarom deze tafel geen stroom geleidt, en dit koffiekopje van koper wel.”

Hij vergelijkt groepen elektronen met zwermen spreeuwen. “Spreeuwen in een zwerm bewegen allemaal met elkaar mee. Wanneer je zo’n zwerm onderzoekt, kun je kijken naar de eigenschappen van die zwerm, zoals dichtheid, kleur en vorm, en hoe deze veranderen. Deze eigenschappen worden bepaald door de manier waarop spreeuwen op elkaar reageren. Maar als je een losse spreeuw uit die massa pakt, kun je niks over de eigenschappen van de zwerm zeggen.” Net zoals je niet de eigenschappen van een zwerm spreeuwen kunt afleiden door één vogel te bestuderen, kun je de interacties tussen elektronen niet begrijpen door slechts één elektron te analyseren.

Ik denk dat het bij uitstek een taak voor een universiteit is om nieuwsgierigheidsgedreven onderzoek te doen. Als het bij de universiteit niet gebeurt, gebeurt het nergens.

Supergeleiding

Vaak liggen interacties tussen elektronen aan de basis van kwantummechanische fenomenen, zoals supergeleiding. Hoewel er veel bekend is over supergeleiding bij extreem lage temperaturen, blijft supergeleiding bij hogere temperaturen grotendeels onbegrepen. Dit soort dingen fascineren Swart. “Ik wil graag precies weten hoe de wereld in elkaar zit op de schaal van moleculen en atomen. Welke fenomenen uit de kwantummechanica kunnen we gebruiken? En voor welke effecten zorgen die fenomenen op grotere schaal?” Net als bij de bevindingen van Buys Ballot, weet je nooit waar die kennis een keer goed voor gaat zijn. “Ik denk dat het bij uitstek een taak voor een universiteit is om nieuwsgierigheidsgedreven onderzoek te doen. Als het bij de universiteit niet gebeurt, gebeurt het nergens.”

Muurschilderingen

Naast zijn wetenschappelijk werk, is Swart een van de drijvende krachten achter een serie muurschilderingen over ontdekkingen van Utrechtse wetenschappers. “De universiteit heeft een rijke geschiedenis, onder andere in de natuurwetenschappen. Maar hoeveel Utrechters weten van deze ontdekkingen, en het belang ervan? Om de band tussen universiteit en stad, en meer algemeen tussen samenleving en wetenschap, te versterken, hebben we een aantal muurschilderingen gerealiseerd. Dit doe ik samen met voormalig collega Sander Kempkes en de kunstenaars van De Strakke Hand. Het is bijzonder leuk om samen te werken met mensen van andere disciplines. Er zijn nog veel meer ontdekkingen die een muurschildering verdienen, dus we hopen de serie de komende jaren uit te breiden.”