20 december 2016

ERC Consolidator Grant voor Rembert Duine

Golven zonder energieverlies

Rembert Duine

Er bestaan materialen die geen elektriciteit geleiden maar toch signalen doorgeven. En dat zonder dat er energie verloren gaat. Theoretisch natuurkundige Rembert Duine onderzoekt dat principe en krijgt daar nu de prestigieuze ERC Consolidator Grant voor van ruim anderhalf miljoen euro. Die gebruikt hij om geleiding door zogenoemde spingolven te doorgronden, een kwantummechanische eigenschap van elektronen die ten grondslag ligt aan dit nieuwe, energiezuinige alternatief voor informatieoverdracht.

“Bij elektrische geleiding is onherroepelijk sprake van energieverlies,” begint Duine. “Elektronen stromen van A naar B en botsen af en toe tegen elkaar en onvolkomenheden in het materiaal aan, zeker bij kamertemperatuur. Daarbij komt warmte vrij en dat is verlies van energie.” Naast elektrische lading hebben elektronen echter ook een zogenoemde spin, een abstract begrip, wat vergelijkbaar is met een ingebouwd kompasnaaldje en wat de basis is van alle magnetische eigenschappen van materialen. Soms wijzen alle kompasnaaldjes dezelfde kant op. Maar onder invloed van bijvoorbeeld een magneetveld kan er ook een golfachtige beweging in ontstaan.

Ook met die golven is het mogelijk signalen te transporteren. Theoretisch kan dat zelfs zonder energieverlies. Duine: “De elektronen bewegen dan namelijk niet, maar vormen een reeks golvende kompasnaaldjes. Er doen zich dus ook geen botsingen voor. Mogelijk zou je met deze methode een equivalent van supergeleiders bij kamertemperatuur kunnen maken,” fantaseert hij, om het vervolgens meteen te nuanceren: “De natuurkunde staat nog aan het begin: er is nog veel aan dit principe dat we niet begrijpen.”

Modellen

De antwoorden op de vragen die nog open staan, zoekt Duine in de kwantummechanica. Hijzelf en de promovendi in zijn onderzoeksgroep rekenen daar veel aan. Met pen en papier, en soms de computer, buigen ze zich over theoretische modellen om het gedrag te voorspellen van de spin in verschillende materialen. Duine, die in Utrecht studeerde, promoveerde, en na een postdoc aan de Universiteit van Texas, weer ging werken bij het Instituut voor Theoretische Natuurkunde, ontving voor zijn werk zo’n tien jaar geleden al grote subsidies: een VIDI-subsidie van NWO en een ERC Starting Grant.

Experimenteel bewijs

In 2015 was Duine betrokken bij  een experiment waarbij voor het eerst een spinsignaal werd verstuurd over een isolator. Dit niet-geleidende materiaal, een laagje yttrium-ijzergranaat geflankeerd door twee strookjes platina, bleek een meetbare “elektrische” stroom door te geven, afkomstig van een spingolf.

“Ik werk veel samen met onderzoeksgroepen die experimenteel werk doen” zegt Duine, die ook als deeltijd-hoogleraar verbonden is aan de Technische Universiteit Eindhoven. Samen zoeken ze naar nieuwe materialen om die spingolven te benutten.

Afvalwarmte terugwinnen

De spin van elektronen worden al gebruikt om informatie op te slaan op harde schijven. Een nieuwe, mogelijke toepassing is hergebruik van afvalwarmte. Duine: “Via spingolven zou je warmte om kunnen zetten in elektrische energie. Daarvoor moeten er materialen ontwikkeld worden met de juiste thermo-elektrische eigenschappen. Als we er in slagen die te vinden, en we afvalwarmte kunnen hergebruiken, al is het maar een paar procent, levert dat net zo veel energie op als alle zonne- en windenergie bij elkaar. We zijn nog lang niet zo ver, maar dit geeft wel aan hoeveel potentieel er in spingolven zit.”