Exotisch gedrag van elektronen in grafeen

Mikhail Katsnelson (1957)

Is geboren in Magnitogorsk in de voormalige Sovjetunie. In 2002 vertrok hij naar Zweden. In 2004 werd hij hoogleraar theoretische natuurkunde aan de Radboud Universiteit in Nijmegen.

„Ik voel me geraakt”, zegt Mikhail Iosifovich Katsnelson. „Ik zie dit als een erkenning door de wetenschappelijke gemeenschap, helemaal omdat ik hier nog maar negen jaar zit, en niet echt goed geïntegreerd ben.” Katsnelson verrichtte pionierswerk aan de theorie van grafeen, het tweedimensionale wondermateriaal waarover natuurkundigen niet uitgepraat raken.

Zijn bekendste ontdekking is Klein-tunneling, een al in 1929 voorspeld exotisch effect in het gedrag van extreem snelle elektronen. Katsnelson voorspelde met zijn theoretische berekeningen dat dat effect in grafeen zou optreden, en dat werd in 2009 bevestigd. Katsnelson: „Het is hele mooie theoretische natuurkunde, maar de consequenties zijn praktisch: het betekent dat je een grafeentransistor heel anders moet ontwerpen dan de huidige siliciumversies.”

Grafeen bestaat uit één laag koolstofatomen, gerangschikt in een zeshoekig kippengaaspatroon. Het heeft bijzondere eigenschappen: elektronen kunnen erin bewegen met bijna de lichtsnelheid, het is extreem sterk en plooibaar. Toepassingen zijn denkbaar, of al gerealiseerd: van transparante geleidende laagjes in beeldschermen tot gevoelige chemische sensoren, of in computerchips.

In 2010 kregen de natuurkundigen Andre Geim en Konstantin Novoselov de Nobelprijs voor hun grafeenonderzoek, gedaan vanaf 2004 in Manchester. Beiden werkten eerder in Nijmegen. Katsnelson maakte zijn twee landgenoten daar nog net mee, en heeft nog altijd intensief contact met ze.

Katsnelsons lijst met eerdere onderzoeksonderwerpen bestrijkt het hele veld van de vastestofnatuurkunde. Naast ruim vijfhonderd wetenschappelijke artikelen schreef Katsnelson ook een verzameling gedichten en een half-serieus boek over ‘quantum-mythofysica’, over snijvlakken tussen oude mythologieën en quantummechanica.

Zijn Spinozapremiegeld gaat zeker niet allemaal naar grafeen. „Dat geld kan ik besteden aan riskanter, creatiever onderzoek. Ik houd al heel lang een lijstje van fundamentele problemen bij voor zo’n gelegenheid, dat ben ik nu aan het afstoffen.”

Een voorbeeld: over het fenomeen smelten, de overgang tussen vaste en vloeibare stoffen, bestaan nog veel fundamentele vragen. „Daar heb ik eerder veel tijd in gestoken, maar dat werd een mislukking. Maar ik heb wel ideeën voor een nieuwe aanval, en nu dus ook geld voor onderzoekers en computertijd.”