Toepassingen van kwantummechanica

Dr. Dries van Oosten
Universitair Docent Debye Institute for Nanomaterials Science
Universiteit Utrecht

Als achtergrond, mijn vakgebied is in brede zin de Natuurkunde. Meer specifiek werk ik op het grensgebied tussen de nanofotonica en de kwantummechanica. Bij het beantwoorden van de vragen zal ik mij toespitsen op de kwantummechanica, de theorie die ons leert waaruit materie bestaat, van het niveau van elementaire deeltje tot het niveau van vaste stoffen.

De belangrijkste recente ontwikkeling in de kwantummechanica is volgens mij de opkomst van de spintronica. In de spintronica maakt men gebruik van het feit dat een elektron niet alleen een lading heeft, maar ook een soort heel klein magneetje is. Als er een stroompje door een elektronische schakeling loopt, wordt de schakeling warm, door de weerstand van de draadjes. In moderne computers is het een groot probleem om de warme die in de componenten van de computer wordt opgewekt efficiënt weg te voeren. De spintronica is gebaseerd op het idee om niet meer de lading van het elektron te gebruiken als drager van informatie, maar de richting van het magneetje dat het elektron met zich mee draagt. Doordat je geen ladingen meer hoeft te verplaatsen, wordt ook de warmteontwikkeling verminderd en daarmee de efficiëntie verhoogd.

De reden dat ik dit een belangrijke ontwikkeling vind, is dat het onderzoek zeer fundamenteel kan zijn, maar dat er zeer snel toepassingen worden gevonden als spin-off van dit onderzoek. Dit samenspel is voor mij een zeer goed voorbeeld voor hoe wetenschap aan de technologie zou moeten bijdragen.

Een van de grote raadsel in de Natuurkunde is momenteel de zogenaamde “neutrino-anomalie”: een meting die lijkt uit te wijzen dat neutrino’s sneller dan het licht gaan. Dit is iets wat niemand had verwacht. Het is rond deze anomalie nu even stil geworden, omdat het plannen en uitvoeren van controle-experimenten op andere locaties aardig wat voeten in de aarde heeft. Hier moeten we dus helaas waarschijnlijk minsten een jaar op wachten. Als deze experimenten ook laten zien dat neutrino’s sneller dan het licht kunnen gaan, zou dat de eerste keer zijn dat er een barstje ontstaat in de theorieën van Einstein. Dit kan eigenlijk niemand geloven, omdat deze al honderd jaar zo succesvol zijn. Maar zoals Popper ons heeft geleerd: er is maar een falsificatie nodig, om alle verificaties ongedaan te maken. In een tijd waarin allerlei schandalen over de academische wereld naar boven komen, van Climate Gate tot de Stapel affaire, geeft het mij een enorm vertrouwen in de Natuurkunde dat de onderzoekers van het bovengenoemde experiment het hebben aangedurfd om hun resultaten te publiceren. Popper zou tevreden kunnen zijn over deze gang van zaken!

De waarde van de kwantummechanica voor de samenleving is enorm. Het belangrijkst voorbeeld daarvan is de uitvinding van de transistor, het actieve elektronische component waarop alle moderne elektronica is gebaseerd. Deze uitvinding was zonder kwantummechanica niet mogelijk geweest. En zonder transistor, hadden we geen mobiele telefoons, geen internet, geen platte televisies, geen computer thuis, etc. Ook de recente ontdekking van zogenaamde giant magneto resistance (Nobelprijs voor Natuurkunde in 2007) hebben we allemaal dagelijks mee te maken, omdat de werking van de leeskop in iedere harde schijf in iedere computer gebaseerd is op dit effect.

In de gezondheidszorg is de kwantummechanica ook alom aanwezig. Denk bijvoorbeeld aan MRI of PET-scanners, apparaten die alleen konden worden ontwikkeld door kwantummechanische inzichten. Ook de laser, tegenwoordig zeer veel ingezet bij medische handelingen, zou zonder kwantummechanica niet zijn uitgevonden.

Het is dus niet overdreven om te zeggen dat de ontwikkeling van de kwantummechanica, een theorie waarvan niemand in eerste instantie toepassingen had kunnen vermoeden, bepalend is voor hoe ons dagelijks leven er momenteel uitziet.


Andere bijdragen in Computer van de toekomst, Natuur- en Sterrenkunde