Perfecte imperfectie

Diamant is een materiaal dat naar perfectie streeft, het is perfect geordend en heeft mooie eigenschappen. Als jij aan diamant denkt, zie je waarschijnlijk grote, dure sieraden voor je. Maar die diamanten noem je eigenlijk briljanten: diamanten die op zo’n manier gesneden zijn dat ze mooie, fonkelende vlakjes hebben. Voor al onze experimenten gebruiken we écht diamant. Alleen op het oog ziet het er uit als een gewoon stukje glas. En wij zijn juist ook nog eens geïnteresseerd in een imperfectie in dit ogenschijnlijk perfecte materiaal.

9 juni 2015

Diamant bestaat uit koolstofatomen, net als de binnenkant van je potlood. Best bijzonder, want met een potlood kun je schrijven omdat het koolstof gemakkelijk loslaat, terwijl diamant zo ontzettend hard is dat je het alleen kapot krijgt met een andere diamant. De koolstofatomen in diamant zitten, in tegenstelling tot in je potlood, netjes geordend in een kristalvorm, zo dat ieder koolstofatoom vier buren heeft: een stevige positie.

IJs doormidden snijden met een plak diamant.
Julia Cramer voor NEMO Kennislink

Goede eigenschappen
Diamant heeft veel meer interessante eigenschappen. Zo is het een ontzettend goede warmtegeleider. Op bovenstaande foto snijden we een stuk ijs doormidden met een plak diamant, gewoon door de warmte van onze handen! Verder is het doorschijnend, wat maakt dat je er licht doorheen kunt schijnen.

Briljantjes in alle kleuren.
TVZ Design via Flickr CC BY 2.0

Alle kleuren
Misschien heb je weleens gezien dat briljantjes verschillende kleuren kunnen hebben, van groen tot donkerrood. Dit is juist de minder perfecte kant van diamant. De kleuren worden veroorzaakt door foutjes in het koolstofrooster. Op de plek van een koolstofatoom zit dan een ander atoom. Deze defecten kunnen gevoelig zijn voor licht, ze absorberen licht met een bepaalde energie, en zenden vervolgens licht uit. Dit uitgezonden licht heeft een kleur die afhankelijk is van het defect. Door diamant te ‘vervuilen’ met een bepaald soort defect kun je het dus een bepaalde kleur geven.

Stikstof-gat
Het defect waar wij in onze experimenten mee werken, is het stikstof-gat defect (Nitrogen-Vacancy center). Dit betekent dat een stikstofatoom de plek van een koolstofatoom in het diamantrooster inneemt en daarnaast een plek leeg is. Nu gaat er wat mis met het aantal buren dat deze atomen graag hebben. Hierdoor blijven er elektronen over, en precies deze kunnen wij gebruiken in onze experimenten.

Een stikstofatoom neemt de plek van een koolstofatoom in waardoor een gat in het diamantrooster ontstaat.
HansonLab QuTech

Kwantum magneet
Deze elektronen van het stikstof-gat gedragen zich als een kwantummagneetje, een soort kompas. Als wij een magneetveld aanbrengen, kunnen we voor het kwantum-magneetje drie verschillende toestanden definiëren: in dezelfde richting, tegengesteld, of uit. Deze toestanden gebruiken wij om kwantumberekeningen te doen, maar dat komt in een andere blog aan bod.

Vraag en antwoord
Het mooiste aan dit kwantummagneetje is dat we het kunnen ‘bekijken’ met licht. Afhankelijk van zijn toestand heeft het defect nét een ander kleurtje. Door met een laser alleen één van die toestanden de mogelijkheid te geven licht te absorberen en weer uit te zenden, kunnen we leren of het kwantummagneetje deze toestand heeft. Licht ontvangen is ‘ja’, geen licht betekent ‘nee’.

Kwantum briljant
Helaas krijgen we van ons stikstof-gat defect maar heel weinig lichtdeeltjes terug, die moeilijk te detecteren zijn. Daar komt nog eens bij dat ze naar alle kanten worden uitgezonden, en wij maar van één kant kunnen kijken. We willen het liefst zoveel mogelijk van deze lichtdeeltjes opvangen. Daarom maken wij ook een vorm in onze diamant: een lensje over het defect, dat zorgt dat zoveel mogelijk licht naar onze detector gaat: ons eigen kwantumbriljantje!

Links ons eigen kwantumbriljantje! Om een idee van het formaat te krijgen, rechts een haar op zelfde grootte.
HansonLab QuTech

Echt perfect
We gebruiken in onze experimenten dus een imperfectie in het diamant. Maar deze imperfectie is juist perfect voor ons: hij is gevoelig voor groen en rood licht, waarvoor goede lasers beschikbaar zijn, het heeft handige eigenschappen in een magneetveld, en het geeft ons een antwoord op onze vragen! In volgende blogs zal ik uitleggen hoe we het stikstof-gat controleren, en wat voor bijzondere experimenten we hiermee kunnen doen.