Ruim zes decennia stond een raadsel uit de kwantumtheorie alleen open voor doorgewinterde fysici — tot nu. Het gaat om de zogeheten Caroli-de Gennes-Matricon-toestanden, een abstract fenomeen voorspeld in het hart van zogeheten vortexen die zich vormen in bepaalde supergeleidende materialen. Zelfs met steeds slimmere meetapparatuur bleek directe detectie nagenoeg onmogelijk. Toch is dankzij een slim experiment van het Niels Bohr Instituut van de Universiteit van Kopenhagen nu eindelijk het gordijn op een kier gezet. Wat dit betekent? Ik leg het u graag uit in gewone-mensentaal.
De vondst, onlangs beschreven in Physical Review Letters, werd niet gedaan door het natuurverschijnsel rechtstreeks te betrappen, maar dankzij het systeembreed creëren van een synthetische, controleerbare variant van het zeldzame klimaat waarin deze toestanden ontstaan. Niemand rende achter een quantaal vortex aan. In plaats daarvan knutselden de onderzoekers in het lab een nanostructuur in elkaar die de juiste omstandigheden nabootst – een slimme omweg, alsof er ineens een achterdeur opengaat van een kamer die decennia ontoegankelijk was. Resultaat: deze ongrijpbare kwantumtoestanden zijn eindelijk te zien én te bestuderen.
De voorspelling uit de jaren ’60 – en waarom het zo lastig te observeren was
In 1964 voorspelden Caroli, de Gennes en Matricon dat er in het centrum van een vortex in een type II-supergeleider aparte kwantumtoestanden zouden ontstaan, opgesloten door de energie van het systeem. Tegenwoordig noemen we deze ‘CdGM’-toestanden. Hun belang? Ze laten direct zien wat quantummechanica met deeltjes doet als die gevangen raken in een extreem, asymmetrisch mini-universum.
Het grote probleem: deze toestanden zijn energie-technisch zó dicht bij elkaar dat geen klassiek experiment ze aantoonbaar uit elkaar kan halen. Simpel gezegd: het energieniveauverschil is kleiner dan een barstje in de supergeleidende energiekloof, vaak een fractie van tienduizendste. Met onze standaardapparatuur werd daarop meten pure gok – pas nu is daar verandering in gebracht.
Wat zijn kwantumvortexen precies?
Wanneer een type II-supergeleider in een matig magneetveld wordt gelegd, wordt het veld niet weggedrukt—zoals bij andere soorten wél gebeurt. Nee: het sijpelt naar binnen in piepkleine, onzichtbare ‘buisjes’, ook wel kwantumvortexen genoemd. Ieder isoleert een standaardhoeveelheid magneetveld, altijd identiek. Je kunt het niet halveren, uitbreiden of manipuleren; het is natuur’s eigen eenheid.
In de kern van zo’n vortex verliest het materiaal tijdelijk zijn supergeleiding. Daardoor kan er een unieke verzameling speciale kwantumtoestanden ontstaan. Rondom draait het supergeleidende effect juist in een nette, microscopische draaikolk – een bijzondere spiraalstructuur die enkel daar mogelijk is. Geen toeval: zo’n vortex is niet zomaar een meetfoutje, maar een stabiel, elementair bouwsteentje van de natuur. Sterker nog, het is juist dé plek om prestaties te meten die anders voor elke microscoop en scanner verborgen blijven.
Kunstmatige vortexen: de sleutel tot het onzichtbare
Omdat direct meten zinloos bleek, ontwierpen wetenschappers een systeem dat de condities van zo’n kwantumvortex exact emuleert — met een andere structuur. Hiervoor gebruikten ze nanodraden van indium-arseen (InAs), volledig omhuld met een ultradunne aluminiumlaag. Zo ontstaat wat in het vakjargon heet: een volledig beklede supergeleider-halfgeleider nanobuis.
Het slimme zit ’m in het feit dat door het aanleggen van een magneetveld precies langs deze draad, het magnetisch veld een twist in de fase van de supergeleider forceert — en voilà, een kunstmatige vortex ontstaat. Dit levert letterlijk ‘CdGM-achtige toestanden’ op, nu zichtbaar als typische pieken (‘van Hove-singulariteiten’) in de energiebanden. Oftewel: niet het echte vortex wordt gezien, maar zijn functionele evenbeeld — perfect passend bij wat we anno 2025 in Nederlandse labs kunnen meten.
Ook handig: je kunt de parameters bewust beïnvloeden, zoals laagdikte of magneetveldrichting. Zo bestuderen onderzoekers hoe deze toestanden ontstaan, veranderen en zich gedragen onder verschillende omstandigheden. Oftewel: niet slechts ‘een model’, maar een miniatuurarena voor hedendaagse kwantumfysica.
Een glasheldere meting: Little–Parks-lobben
De elegantie van het experiment zit verstopt in het Little-Parks-effect, al sinds 1962 bekend bij experts. Hierbij verschuift de kritische temperatuur van een supergeleider schijnbaar golvend wanneer het magnetisch veld toeneemt. Dat komt door de quantisatie van de magneetflux in veelvouden van het fluxquantum (Φ₀ = h/2e).
De onderzoekers zagen in hun metingen een “lobvormige structuur” in de supergeleidende energiekloof, afwisselend groter en kleiner door het magneetveld. Binnen de hoogste lobben ontstonden synthetische CdGM-toestanden — precies zoals de theorie voorspelde. Opvallend: binnen elk lob vertonen deze toestanden een vreemde energetische asymmetrie, verschuivend bij een zwaarder magneetveld. Dit hebben de fysici zowel in theorie als in de praktijk scherp uitgewerkt.
Zo’n meetbare modulatie geeft onomstotelijk bewijs: wat men waarneemt is geen toevallige ruis, maar écht een manifestatie van de analoge CdGM-toestand. De overeenstemming tussen gemeten conductantie en theoretische modellen is ongekend goed — daar mogen we gerust wat trots op zijn als Europese wetenschap.
En wat kunnen we ermee? Niet alleen fundamentele natuurkunde
Hoewel dit baanbrekend basiswerk is, liggen mogelijke toepassingen binnen handbereik. Denk aan hybride kwantumsimulatoren: nieuwe apparaten waarmee natuur- en materiaalkunde wordt uitgeplozen waar klassieke rekenmethodes tekortschieten.
Zoals hoofdauteur Saulius Vaitiekėnas zelf verklaarde: deze toestanden werden niet vooraf gezocht, maar doken spontaan op tijdens ander onderzoek. Toen hun betekenis doordrong, werd meteen helder: ‘dit is véél meer dan een interessant weetje’. Het biedt handvatten voor slimmer kwantumbeheer – zelfs in situaties waar helemaal geen echte vortex is.
Het ontwikkelen van zulke perfect bestuurde supergeleider-halfgeleider platforms is bovendien essentieel in de race naar echt stabiele, bruikbare quantumchips. Wie nu begrijpt welk gedrag deze toestanden vertonen, kan straks betere onderdelen maken voor quantumcomputers, gevoelige sensoren of robuuste (topologische) schakelingen — iets waar ook TU Delft en ASML met interesse naar kijken.
Een grensverleggende, internationale samenwerking
Deze doorbraak is geen solo-verhaal. Achter deze ontdekking schuilen jarenlange samenwerking tussen experimenteel en theoretisch natuurkundigen — teams in Denemarken, Spanje én de Verenigde Staten. Ze combineerden geavanceerde simulaties met zelf ontworpen modellen, steeds bijgesteld om nauwkeurig aan te sluiten op de werkelijkheid in het lab.
Cruciaal waren nanofabricatietechnieken zoals epitaxiaal aluminium aanbrengen op InAs-nanodraden, en het exact regelen van elektrostatische potentiaal via ingenieuze spanningspoorten. Dit soort innovatie maakt het mogelijk systemen niet alleen na te bootsen, maar ook met spectroscopische methodes direct in kaart te brengen.
Het brengt de vooruitgang van de grenswetenschap dichterbij huis: élk detail telt, van de dikte van een aluminiumlaag tot de richting van het magneetveld. dit soort precisie zet Nederland en Europa op de internationale kaart — en wie weet, steekt er straks iemand een kroketje voor op op de Oude Gracht.