* Nieuws
Snaartheorie toont voor het eerst fysische werkelijkheid
De snaartheorie ligt de laatste jaren onder vuur. De grote
beloftes werden nog niet waargemaakt. Leidse theoretische
fysici hebben nu voor het eerst de snaartheorie gebruikt om een
natuurkundig fenomeen te beschrijven. Ze deden een vondst
waarmee ze deze week in `Science' staan.
Het zwarte gat dat vertelt hoe kwantumdeeltjes zich collectief
gedragen in eigenaardige vormen van kwantummaterie zoals die
gevonden worden in quark-gluonplasma's en hoge
Tc-supergeleiders (Nature 448, 1000, copyright Nature).
Euforie
`Wat is dit mooi, zo'n euforie heb ik nog nooit meegemaakt.'
Theoretisch natuurkundige Jan Zaanen steekt zijn enthousiasme
niet onder stoelen of banken. Samen met Mihailo Cubrovic en
Koenraad Schalm weet hij met de wiskunde van de snaartheorie
een voorheen onbegrepen natuurkundig fenomeen te verklaren.
Jan Zaanen: `De wiskunde paste precies, dat was wonderbaarlijk
mooi.'
Hot issue
Elektronen kunnen een speciaal soort toestand vormen, een
zogenoemde kwantum-kritische toestand, die een rol speelt bij
hogetemperatuursupergeleiding. Supergeleiding bij hoge
temperatuur is al jaren een `hot issue' in de natuurkunde. Bij
supergeleiding, ooit ontdekt door Heike Kamerlingh Onnes in
Leiden, kunnen elektronen zonder enige weerstand door een
materiaal zoeven. In eerste instantie leek dat alleen bij hele
lage temperaturen dichtbij het absolute nulpunt te kunnen, maar
er duiken steeds meer voorbeelden op waarbij het ook bij hogere
temperaturen gebeurt. Tot nu toe is het echter niemand gelukt
om hogetemperatuursupergeleiding te verklaren. Zaanen: `Men
dacht altijd dat als je die kwantum-kritische toestand
begrijpt, je ook hogetemperatuursupergeleiding kunt begrijpen.
Maar ondanks dat de experimenten boekdelen spraken, hadden we
geen flauw benul hoe je dit fenomeen kon beschrijven.' De
snaartheorie biedt nu uitkomst.
De holografische `AdS/CFT'-correspondentie die een
zwaartekrachtwereld in een hogere dimensie relateert aan
kwantum-kritische werelden gevormd door bijvoorbeeld elektronen
die zich een lagerdimensionelewereld bevinden die bestaat aan
de `buitenkant' van de eerste (Science 322, 1639, copyright
Science).
Theorie van alles
Het is de eerste keer dat een berekening op basis van de
snaartheorie in Science staat, ondanks de grote bekendheid die
de theorie heeft. `Over de snaartheorie is altijd veel gedoe',
vertelt Zaanen, die zich uit nieuwsgierigheid op eigen houtje
in de theorie heeft verdiept. `De snaartheoreticus worden vaak
gezien als een soort Einstein die een revolutionaire,
allesomvattende theorie wil maken, een `theorie van alles'.
Tien jaar geleden zeiden ze zelfs `geef ons twee weken en we
vertellen waar de big bang vandaan komt'. Dat is, zoals we
weten, niet gelukt en sindsdien is de theorie krakend een
beetje tot stilstand gekomen. Het probleem van de snaartheorie
was bovendien dat deze, ondanks de prachtige wiskunde, nooit in
staat was een concreet verband te leggen met de fysische
werkelijkheid - de wereld om ons heen.'
Kwantumsoepje
Maar nu lijkt Zaanen, samen met zijn collega's Cubrovic en
Schalm, hier verandering in te brengen door de snaartheorie toe
te passen op een fenomeen dat natuurkundigen, waaronder Zaanen,
al zo'n vijftien jaar niet konden verklaren: de
kwantum-kritische toestand van elektronen. Deze bijzondere
toestand doet zich voor in een materiaal vlak voordat het
supergeleidend wordt bij hoge temperatuur. De kwantum-kritische
toestand beschrijft Zaanen als een `kwantumsoepje', waarbij de
elektronen een collectief vormen dat onafhankelijk wordt van
afstanden: op kleine kwantummechanische schaal of menselijke
macroscopische schaal gedragen de elektronen zich precies
hetzelfde.
Koenraad Schalm
Brug
Wegens Zaanens interesse in de snaartheorie werden hij en
snaartheoreticus Koenraad Schalm na diens komst naar Leiden al
gauw vrienden. Zaanen had een onopgelost probleem en Schalm was
expert op het gebied van de snaartheorie. Hierdoor `bubbelde er
wat' en besloten ze samen te werken. Ze gebruikten het stukje
wiskunde uit de snaartheorie dat de AdS/CFT correspondentie
genoemd wordt. Hiermee kunnen situaties in een grote
relativistische wereld vertaald worden naar een beschrijving op
het minuscule kwantumfysische niveau. De correspondentie slaat
als het ware een brug tussen deze twee uiteenlopende werelden.
Door de correspondentie los te laten op de situatie waarbij een
zwart gat vibreert als een elektron erin valt, vonden ze de
beschrijving van elektronen die in en uit een kwantum-kritische
toestand bewegen.
Puzzel
Het was, na dagen en nachten zwoegen, als een puzzel die in
elkaar paste. `We hadden niet verwacht dat het zo goed zou
werken', vertelt Zaanen opgetogen. `De wiskunde paste precies,
dat was wonderbaarlijk mooi. Toen we de berekeningen zagen
konden we het eerst niet geloven, maar het klopte echt.'
Baken
Hoewel het mysterie van hogetemperatuursupergeleiding hiermee
nog niet is opgelost, laat de vondst wel zien dat met de
snaartheorie grote problemen in de natuurkunde kunnen worden
aangepakt. En dit is het begin van meer, denkt Zaanen. `De
AdS/CFT correspondentie vertelt nu dingen die ploeterende
collega's met de grootste moeite niet konden vinden. Er zijn
hier nog vele spellen mee te spelen. Het is nog niet helemaal
begrepen, maar ik zie het als een baken voor meer.' Het feit
dat Science heeft gekozen voor een versnelde publicatie van hun
ontdekking is daar alleen maar een bevestiging van.
(29 juni 2009/Barry van der Meer)
Webredactie - 29/06/2009
Universiteit Leiden