Vreemde materialen met potentieel voor innovatie in technologie en energie
NATUURKUNDE
In de voetsporen van hoogleraar Jan Zaanen onderzoekt visiting fellow Louk Rademaker quantumeffecten in zogenaamde vreemde materialen. Onderzoek dat leidt tot nieuwe materialen voor gebruik in nieuwe technologie.
Rademaker kijkt altijd goed naar de verrassingen die aan het licht komen bij zijn berekeningen aan quantummaterialen, en bij de experimenten die op zijn theoretische onderzoek volgen. ‘Gedraagt ons materiaal zich zoals verwacht, of zien we iets bijzonders gebeuren? Elke keer als je iets uitrekent, dan stuit je weer op nieuwe vragen. Dat is een leuke en oneindige zoektocht.’
In de voetsporen van hoogleraar Jan Zaanen
Rademaker is absoluut geen vreemde in Leiden. Op negenjarige leeftijd kwam hij wonen in de stad. Hij volgde de bachelors Wiskunde en Sterrenkunde, haalde vervolgens de master Theoretische Natuurkunde en promoveerde bij hoogleraar Jan Zaanen binnen het Instituut Lorentz. Het is alsof zijn familie er een abonnement op heeft: Rademaker is de vierde generatie die promotie-onderzoek deed aan de Universiteit Leiden. Maar ook maatschappelijk was hij jarenlang erg betrokken bij onze stad: in de periode 2006-2014 was hij lid van de gemeenteraad.
Na zijn promotie werkte Rademaker een aantal jaren aan de University of California, Santa Barbara, het Perimeter Institute for Theoretical Physics in Canada, en de Universiteit van Genève. Enige tijd na het overlijden van Jan Zaanen in 2024 kwam bij LION de positie vrij waar hij op solliciteerde: universitair hoofddocent Theoretische Quantummaterie. Alhoewel de fulltime overstap naar Leiden om praktische redenen nog even op zich laat wachten, kijkt Rademaker er erg naar uit om zich in Leiden te vestigen en intensiever samen te gaan werken met onze Leidse natuurkundigen.
Materiaalkunde gecombineerd met fundamentele natuurkunde
Rademaker vertelt over zijn onderzoek: ‘Van de manier waarop we energie opwekken, tot hoe we communiceren en informatie opslaan, voor alle moderne technologie gebruiken we de elektrische en/of magnetische eigenschappen van materialen. Wij onderzoeken deze eigenschappen ook, maar dan in zogenaamde vreemde materialen. Vreemde materialen zijn alle materialen die zich anders gedragen dan we verwachten volgens de gangbare quantum-theorieën. Deze vreemde materialen bieden veel mogelijkheden voor nieuwe toepassingen, juist doordat ze anders reageren dan gewone materialen.’
Vreemde materialen, een voorbeeld
Een voorbeeld van een vreemd materiaal is koperoxide gemengd met een zeldzaam aardmetaal zoals lanthaam, strontium, yttrium of barium.
Rademaker legt uit hoe lastig het onderzoek naar vreemde materialen is: ‘In de meeste materialen kan je de interactie en verstrengeling van elektronen negeren. Je volstaat met een aanname die we ‘bandenstructuur’ noemen, een heel succesvolle theorie. Maar bij de vreemde materialen die wij onderzoeken werkt dit trucje niet. Je moet dus het gedrag van elke elektron apart beschrijven. Dit is een vrijwel onmogelijke taak omdat je te maken hebt met 1023 elektronen per mol, en deze elektronen allemaal wisselwerking met elkaar hebben.
Vreemde materialen ontrafelen
Wij willen de geheimen, maar vooral ook de beloften van vreemde materialen ontdekken. We onderzoeken bij welke temperatuur supergeleiding optreedt – het fenomeen dat een materiaal geen elektrische weerstand meer heeft. In ‘normale’ materialen zie je dit alleen bij temperaturen onder de 10 Kelvin (-263̊ Celcius), maar in het ‘vreemde materiaal’ koperoxide is de kritische temperatuur voor supergeleiding opvallend veel hoger: 120 Kelvin.
Zelf vreemde materialen creëren
Rademaker doet ook onderzoek naar ultradunne laagjes van materialen. Deze laagjes zijn zo dun, dat je ze ook plat of tweedimensionaal kunt noemen. Ze zijn maar één of enkele atomen dik. We leggen dan twee van deze laagjes op elkaar, niet exact recht maar onder een kleine hoek. ‘Zo creëer je moiré-materialen, met geometrische patronen. Op deze manier maken we van gewone materialen een vreemd materiaal.’
‘We kunnen het materiaal op een hele gecontroleerde manier veranderen van iets wat we begrijpen, naar iets dat we niet begrijpen. In deze moiré-materialen valt echt nog heel veel te ontdekken,’ volgens Rademaker. ‘We ontdekten bij grafeen-lagen – en ook in sandwiches van molydbeen-telluride met wolfraam-selenide – dat je allerlei nieuwe elektronische fases krijgt, die we nog niet eerder gezien hebben. Elektronen bewegen zich in deze materialen niet meer in een rechte lijn, maar verplaatsen zich alleen nog via de rand van het materiaal. Bijzonder toch!?’
Van theorie naar praktijk
Rademaker: ‘Ons startpunt is altijd de quantumtheorie die al bekend is, zoals de Schrödinger-vergelijking. We gaan er van uit dat deze klopt. Dan proberen we slimme aannames te doen over het gedrag van de materialen die we voor ons hebben. De gevolgen van deze aannames rekenen we vervolgens uit. We zoeken door totdat ons model goede voorspellingen geeft. De nieuwe theorie wil je vervolgens graag laten testen in experimenten.’ Rademaker kijkt er naar uit om dit in Leiden te gaan doen met collega’s zoals Sense Jan van der Molen, Tjerk Oosterkamp en Semonti Bhattacharyya.