De snaartheorie: link tussen zwarte gaten en supergeleiding
Leids fysicus Koenraad Schalm liet in 2009 met zijn collega's Zaanen en Cubrovic zien dat de snaartheorie mogelijk praktische toepassing heeft. Hij gebruikte hem om het mysterieuze gedrag van elektronen in hogetemperatuur-supergeleiders beter te begrijpen. Met een Vici-subsidie gaat Schalm hier nu mee verder.
Doorbraak
Het artikel dat de Leidse natuurkundigen in het blad Science publiceerden betekende in 2009 een doorbraak voor de snaartheorie, omdat voor het eerst direct contact werd gelegd tussen een snaartheoretische berekening en de natuurkundige werkelijkheid van een experiment.
Snaarkundige berekeningen helpen verklaren waarom materialen bij de relatief hoge temperatuur van vloeibaar stikstof nog supergeleidend zijn.
Supergeleiding bij hoge temperaturen
Schalm en zijn collega’s lieten zien dat de snaartheorie een instrument kan zijn om het mysterieuze collectieve gedrag van elektronen te begrijpen in speciale koperoxides die al ver boven het absolute nulpunt supergeleiding vertonen.
Zwaartekrachtsveld rond zwarte gaten
Schalm nam daarvoor een omweg via de kosmos. Hij gebruikte een onderdeel van de snaartheorie waarmee bepaalde problemen in de vastestoffysica vertaald kunnen worden naar natuurkundige verschijnselen in het zwaartekrachtsveld rond zwarte gaten. Deze wiskundige vertaaltruc heet de AdS/CFT-correspondentie.
Collectief gedrag van elektronen
Schalm: ‘Al klinkt het vreemd, soms is het makkelijker rekenen aan het zwaartekrachtsveld rond zwarte gaten dan aan het gedrag van elektronen in een stuk metaal. De interactie van het ene elektron met het andere in een rooster van gewone metaalatomen is goed te berekenen, maar het fenomeen van hogetemperatuur-supergeleiding ontstaat juist wanneer al die elektronen gezamenlijk heel ander gedrag gaan vertonen. In dit collectief kun je ze dan eigenlijk niet meer als individuen beschouwen, maar hoe dan wel precies begrijpen wij nog steeds niet goed.’
‘We weten nog niet voor alle situaties hoe het moet’
Het onderzoeksproject waarvoor Schalm zijn de Vici-subsidie van 1,5 miljoen euro ontving, gaat voortbouwen op deze ontdekking uit 2009: ‘We begrijpen nu een aantal voorbeelden van de AdS/CFT-correspondentie, maar we weten nog niet voor alle situaties hoe het moet.’
Nog geen recept voor materialen
Stel dat je dat wel weet, gaat dit dan een recept opleveren voor materialen die bij nóg hogere temperatuur supergeleidend zijn? Nu betekent ‘hoge temperatuur’ bij supergeleiding immers nog altijd een temperatuur van minstens 135 graden onder nul. Schalm: ‘Met mijn onderzoek ga ik dat vrijwel zeker niet bereiken. Want stel dat dit inderdaad lukt, dan is daarna nog een tweede vertaalslag nodig die de materiaaleigenschappen verdisconteert, en om die materialen te verbeteren nog een derde vertaalslag.’ Het zit hem niet dwars. ‘Elk stukje beter begrip is een winstpunt. Daarop bouwen andere mensen weer andere winstpunten.’
Snaartheorie zit strak in elkaar
De snaartheorie was en is zijn inspiratiebron: ‘Die blijft de enige kandidaat voor een theorie die kwantummechanica en relativiteitstheorie in zich verenigt. Hij zit zó strak in elkaar, je kunt er niets bijdoen of afdoen, zowel de elektromagnetische als de zwaartekracht en alle andere krachten moeten er al in zitten.’
‘Naar de volgende doorbraak’
Maar de snaartheorie is nog niet af; het is meer een concept dan een afgeronde theorie. Hoe boek je überhaupt als theoretisch fysicus dan vooruitgang? Schalm: ‘Je hebt een idee, en op het eind van de dag laten de berekeningen zien of het idee waarde heeft. Maar echte ideeën krijg je niet in je eentje op een zolderkamertje. Die moet je heen en weer pingpongen. Aan het artikel in Science hebben we een jaar samen gewerkt. Toen dat allemaal op zijn plaats viel, was dat echt alsof je een goudgerande wortel voor je neus krijgt. De eerste doorbraak hebben we; met de Vici-subsidie gaan we voor de volgende. Het doel is om dit direct contact tussen snaartheorie en experiment om te zetten in een echt verband.