Henk Stoof

Aan de basis van de wetenschap
Henk Stoof

Computers worden steeds sneller en steeds zuiniger. Toch zit daar, met de gangbare techniek, een grens aan. Onderzoekers zijn daarom bezig met kwantumcomputers, die supersnel en ontzettend zuinig zijn. Natuurkundige Henk Stoof staat met zijn onderzoek aan de basis van deze vernieuwing. “Als theoreet ben ik goed in het leggen van verbanden tussen verschillende fundamentele takken van wetenschap.”

Supergeleidend

Elektriciteit gaat van het stopcontact naar de lamp omdat er een snoer tussen zit. Henk Stoof klikt zijn bureaulamp aan en pakt het snoer vast waarmee de lamp in het stopcontact zit. “Zo’n snoer bestaat vaak uit een geïsoleerde koperdraad, en die koperdraad geleidt stroom”, vertelt hij. “Er gaat echter veel energie verloren in zo’n snoer; bijna een derde van de elektrische energie wordt omgezet in warmte. Een supergeleidend materiaal zorgt er voor dat elektrische lading zonder weerstand kan voortbewegen en geen last heeft van energieverlies. Veel duurzamer dus.” Natuurkundigen lopen nu alleen nog tegen één probleem aan: supergeleiding komt voorlopig alleen voor materialen die tot ver beneden het vriespunt van water afgekoeld moeten worden. 

Stoof doet de lamp weer uit. “We hebben recentelijk echter met behulp van ultrakoude atoomwolken van zo’n -273 graden Celsius aangetoond dat supergeleiding bij veel hogere temperaturen in principe ook mogelijk is. We noemen dit resultaat een proof of principle. We willen die supergeleidende eigenschappen overbrengen op metalen bij kamertemperatuur, zodat we ook supergeleiding van het stopcontact naar de lamp kunnen realiseren.” 

Kleine kwantumcomputers bestaan al een tijdje in laboratoria. Dit is echter, zoals Stoof al aangaf, een proof of principle. Het werkt, maar het is nog niet volledig toepasbaar in de samenleving. Kwantumcomputers moeten nu namelijk nog gekoeld worden tot extreme temperaturen om te kunnen werken en juist dat proces kost veel energie. Bovendien zijn ze op dit moment nog veel te klein en kunnen daardoor slechts heel eenvoudige berekeningen doen. 

Spin up, spin down

Supergeleiding is niet het enige waarmee Stoof zich bezighoudt. “Samen met Rembert Duine doe ik ook onderzoek naar iets dat met een moeilijk woord ‘topologische isolatoren’ heet”, vertelt hij.
“Dit betekent dat een materiaal alleen aan de buitenkant stroom geleidt, maar aan de binnenkant isoleert. Het is een hot topic binnen de Natuurkunde, en we denken dat dit in de toekomst een toepassing krijgt binnen de kwantumcomputers.” 

Een topologische isolator heeft namelijk zeldzame kwantummechanische eigenschappen. Stroomgeleiding is eigenlijk niets anders dan verplaatsing van elektronen (negatief geladen deeltjes). Die elektronen kunnen om hun as heen draaien en hebben daardoor een magnetisch veld om zich heen hangen die twee richtingen kan hebben: naar boven of naar beneden. Dat wordt de spin van het elektron genoemd. Als dat magnetisch veld naar boven is gericht heet het spin up, een naar beneden gericht magnetisch veld heet spin down. Wat een topologische isolator zo uniek maakt is dat elektronen die de ene kant op bewegen een spin up hebben, en de andere kant op een spin down. Er is dus een heel bijzondere relatie tussen de beweging van het elektron en zijn spin. 

Magnetisch veld

“Gebruik maken van de spin van elektronen in elektronische apparaten heet spintronica”, legt Stoof uit. “Het lijkt science fiction, maar dat is het niet. Harde schijven in computers maken hier bijvoorbeeld nu al gebruik van. Data worden opgeslagen als ééntjes en nullen. Op een harde schijf betekent dat dat het magnetisch veld van een gebiedje op de schijf ofwel naar boven wijst ofwel naar beneden en dit kan met behulp van een elektrische stroom uitgelezen worden vanwege de spin van het elektron.” 

“Zelf ben ik vooral fundamenteel bezig”, vertelt Stoof. “Een theoreet als ik kan verbanden leggen tussen verschillende fundamentele takken van wetenschap, want een wiskundig model kan op meer systemen van toepassing zijn. Op die manier kan ik als het ware aan de basis van experimentele ontwikkelingen staan en probeer daar met mijn onderzoek op in te spelen.”