Spinozawinnaar Bart van Wees: Vernieuwend, kleiner en beter

Bart van Wees, hoogleraar fysica van nanodevices aan de RUG en verbonden aan het Zernike Institute for Advanced Materials, is dit jaar een van de vier ontvangers van de NWO-Spinozapremie, de hoogste onderscheiding in de Nederlandse wetenschap. Zijn onderzoek komt voort uit nieuwsgierigheid naar het gedrag van elektronen in nieuwe materialen, maar altijd met een half oog gericht op toepassingen. ‘Wat doen elektronen en hoe beïnvloed je hun eigenschappen? Daar probeer ik met originele experimenten achter te komen.’

De onderzoeksobjecten van Bart van Wees zijn doorgaans pas onder een elektronenmicroscoop goed zichtbaar. Hij bouwt ‘nanodevices’, elektronische schakelingen waarvan het hart kan bestaan uit lagen van één atoom dikte. Op die schaal domineren de wetten van de kwantummechanica. ‘Dat vond ik tijdens mijn studie natuurkunde in Delft al een boeiend vak’, vertelt Van Wees in zijn kantoor in het Natuur- en Scheikundegebouw op de Zernike Campus. Daar werkt hij sinds 1991, toen hij overkwam van de TU Delft.

‘Ik kon niet goed kiezen tussen gewone natuurkunde en technische natuurkunde. Uiteindelijk kwam ik voor een afstudeeronderzoek terecht bij professor Hans Mooij, die heel kleine devices maakte waarin hij supergeleiding onderzocht.’

Tijdens zijn promotieonderzoek bestudeerde hij het gedrag van elektronen in halfgeleiders, en vond als eerste experimenteel bewijs voor ‘gekwantiseerde geleiding’, het fenomeen dat geleiding in heel dunne draadjes stapsgewijs afneemt met de dikte. Het staat tegenwoordig in alle tekstboeken over vaste stof fysica. Zo begon een fascinatie voor het gedrag van elektronen. Je zou zeggen dat natuurkundigen wel alles van elektronen afweten. Maar hun gedrag in allerlei materialen blijft lastig voorspelbaar. ‘Achteraf kunnen we alles goed verklaren, maar er blijven zich verrassingen voordoen’, vertelt Van Wees.

Spin

Na zijn overstap naar het Zernike Institute of Advanced Materials in Groningen verschoof zijn aandacht al snel naar een nieuw veld, de spintronica. Dit beschrijft een kwantummechanische eigenschap van elektronen, hun ‘spin’. Die is het best voor te stellen door een elektron te beschouwen als een bolletje dat om zijn as tolt. Hierdoor gedragen elektronen zich als kleine kompasnaaldjes. Die spin kan twee waarden hebben “up” en “down”, en is dus in principe bruikbaar om bijvoorbeeld informatie op te slaan of te transporteren.

Met zijn kennis van elektronentransport wist Van Wees systemen te bouwen waarin ook spintransport goed mogelijk was. De nieuwe inzichten die hij hiermee opdeed zorgden voor een beter begrip van spintransport. ‘In die eerste periode was een deel van het veld toch een beetje magie. Het werkte, maar hoe was onduidelijk.’

In een van de meest geciteerde artikelen van Van Wees beschrijft hij hoe spintransport de weg van de minste weerstand volgt – net als elektronentransport. Dat lijkt voor de hand liggend, maar dat Van Wees spintransport op een begrijpelijke manier wist te beschrijven zorgde dat de magie weer wetenschap werd. En dat helpt om het veld verder te ontwikkelen: recent heeft hij zelfs spintransport gerealiseerd in een isolator, dus materiaal dat geen elektronentransport toelaat.

Grafeen

De opkomst van grafeen, een tweedimensionale vorm van koolstof die zowel stroom als warmte extreem goed kan geleiden, zorgde voor weer een vernieuwing. Spintransport in grafeen bleek tal van mogelijkheden te bieden en opnieuw droeg Van Wees bij aan een beter begrip. Dat doet hij vooral door devices te bouwen waarin vaak verschillende materialen worden gecombineerd. ‘Wat doen de elektronen dan, hoe kun je de kwantummechanica gebruiken om hun eigenschappen te beïnvloeden? Daar probeer ik met originele experimenten achter te komen. En dat vergroot ons begrip.’ Uiteindelijk zou dat nog kleinere transistoren kunnen opleveren. Het aantal transistoren in een geïntegreerde schakelingen is sinds 1965 elke 24 maanden verdubbeld volgens de Wet van Moore. Maar die verkleining van transistoren loopt op zijn eind. Er is nieuwe technologie nodig voor een volgende stap, en de devices van Van Wees wijzen de weg naar elektronica ‘voorbij de Wet van Moore’.

Maar voor een echte doorbraak is meer begrip nodig. Van Wees stapelt nu bijvoorbeeld verschillende tweedimensionale materialen op elkaar, om te zien hoe die elkaar beïnvloeden. Een postdoc uit zijn lab, Niko Tombros, is zelfs een bedrijfje gestart dat dit soort materialen levert aan belangstellenden uit de hele wereld. De laatste ontwikkeling is de combinatie van spintransport en warmtetransport. ‘Dit biedt onder meer de mogelijkheid om op een efficiëntere manier uit warmteverschillen stroom op te wekken.’

Het werk van Van Wees staat internationaal hoog aangeschreven. Zijn leidende positie blijkt bijvoorbeeld uit die belangrijk rol die hij speelt in het EU Flagship Project Graphene. Europa investeert tussen 2013 en 2023 een miljard euro om via fundamenteel onderzoek praktische toepassingen met grafeen te ontwikkelen, zoals bijvoorbeeld superkleine transistoren. Het project is in een aantal themagebieden opgedeeld, en Van Wees geeft leiding aan het pakket dat zich richt op spintronica in grafeen.

Fascinatie

De onderzoeksgroep van Van Wees heeft inmiddels een behoorlijke omvang. Toch slaagt hij er doorgaans om wekelijks met deelgroepjes het werk te bespreken. ‘Iedereen komt langs, van stagairs tot postdocs.’ Die geven dan korte presentaties over hun voortgang waarna er ruimte is voor discussie en adviezen.

‘De mensen die op mijn groep afkomen hebben een fascinatie voor toepassingen op nanoschaal en voor de kwantummechanica die daarbij hoort. Studenten en promovendi leren hier om praktisch na te denken over fundamentele vragen.’ Er is geen ‘lopende band’ waarin ze alleen maar voorgekookt werk uitvoeren. ‘Iedereen moet nadenken over de vragen, en de experimenten die daarbij horen. En als er iets leuks uit komt is de vraag: hoe kan ik dat ‘verkopen’, publiceren in een mooi tijdschrift.’

Wie een afstudeer- of doctorsbul haalt in het lab van Van Wees heeft inzicht in technologie en de relevante natuurkunde die daar bij hoort. ‘En ze moeten in staat zijn echt interessante zaken te onderscheiden van gebakken lucht.’ Dat is ook een maatschappelijk belang, benadrukt Van Wees, wetenschappers moeten advies kunnen geven en zin van onzin scheiden.

Als bouwer van nanodevices voelt Van Wees verwantschap met pioniers in de technologie. Enthousiast vertelt hij over de zalen van het Science Museum in Londen. ‘Met werk van de bouwers van de eerste generatie computers, maar ook de eerste stoommachines. Hoe die mensen dat voor elkaar kregen, vaak door een combinatie van kennis en intuïtie, dat spreekt mij aan.’

De Spinoza premie geeft Bart van Wees de kans om verder te pionieren. Want naast de eer krijgt hij 2,5 miljoen euro, vrij te besteden aan zijn onderzoek. Wat hij daarmee gaat doen, daar moet hij nog eens goed over nadenken. ‘Ik kan er mijn lopende onderzoek mee steunen, maar ik zal zeker ook nieuwe terreinen gaan ontginnen.’ En zijn aanpak blijft het maken van realistische devices, waarvan hij de eigenschappen liefst bij kamertemperatuur onderzoekt. ‘Omdat ik toch altijd nadenk wat voor praktische toepassingen er eventueel zijn.’

Meer nieuws over onderzoek van Bart van Wees bij Science LinX:

2018

Nieuw model brengt revolutionaire transistor dichterbij 9 januari

2017

Controle over de spin-richting in een ‘sandwich’ van tweedimensionaal materiaal 4 december

Cool: spintransport in een isolator 11 april

De terugkeer van germanium transistoren 28 februari

Promovendus scoort dubbel met spin 6 februari

2016

Hoe maak je een spintransistor? 14 september

Groningse onderzoekers geven richting aan spintransport 21 juli

Spinozawinnaar Bart van Wees: Vernieuwend, kleiner en beter 13 juni

Grafeen koelen met elektronen 24 mei

2015

Gronings grafeenlab verbetert eigen wereldrecord 16 december

‘Wave’ stuurt informatie door magneet 14 september

2014

Nano-koelelement werkt nu ook in elektrische isolatoren 31 juli

2013

Groningse stuurman op Europees vlaggenschip 30 januari