Je leest:

De kleinste beweging

De kleinste beweging

Auteur: | 31 augustus 2008

Onderzoekers van de TU Delft en hun Japanse collega’s hebben een nieuwe detectiemethode gedemonstreerd waarmee ze bewegingen meten die kleiner zijn dan de afmeting van een atoomkern. Elektromechanische systemen op nanoschaal kunnen hiermee verder worden geperfectioneerd. Tevens zitten de onderzoekers dicht bij het meten van de kleinst mogelijke trilling en de mythische nulpuntsenergie.

Al jaren moet alle elektronica kleiner, van telefoons tot computers. Om dit voor elkaar te krijgen begonnen wetenschappers met onderzoek naar microelektromechanische systemen (MEMS). Het resultaat zien we terug in bijvoorbeeld airbags en Wii controllers, waar accelerometers ter grootte van een huismijt de beweging van de auto of de controller volgen. De volgende stap in de miniaturisatie is het bouwen van werkende nanoelektromechanische systemen (NEMS), systemen die bestaan uit enkele atomen.

Een huisstofmijt van minder dan een millimeter groot loopt langs een MEMS (microelektromechanisch systeem). Bron: Wikipedia.

Bij het bouwen van deze NEMS ondervinden wetenschappers problemen waar ze niet eerder mee te maken kregen, vanwege de minuscule schaal waarop ze werken. Eén van de problemen waar men tegenaan loopt is dat niemand weet hoe een grote groep atomen zich precies gedraagt op nanoschaal. Het gedrag van één atoom is ondertussen bekend, maar een NEMS van meer dan duizend atomen bij elkaar doet onvoorspelbare dingen. Vandaar dat de TU Delft trots is om te melden dat zij de trillende beweging van zo’n groep atomen kunnen meten op een onvoorstelbaar kleine schaal, namelijk die van een atoomkern.

Duizenden atomen

De Delftse onderzoekers en hun collega’s uit Japan, met wie ze die detector ontwikkelden, meten de beweging met een balkje van duizenden atomen bij enkele duizendsten graden boven het absolute nulpunt. Bij het absolute nulpunt (273 graden onder nul) bewegen atomen niet meer, bij enkele duizendsten graden is de beweging zo traag dat die meetbaar wordt. Het balkje is onderdeel van de detector, genaamd SQUID. SQUID meet de trilling van het balkje, wat een elektrisch stroompje oplevert. Dit stroompje wordt net zo lang versterkt tot het een leesbaar signaal geeft. Op die manier kwamen de onderzoekers erachter dat het balkje bij enkele duizendsten graden boven het absolute nulpunt trilt met een beweging die kleiner is dan de afmeting van een atoomkern.

De detector bestaat uit een balkje van enkele duizenden atomen® dat onderdeel is van een groter geheel, de bruine rechthoek. Het balkje hangt boven een klein kanaaltje en beweegt van nature. Deze beweging heeft een elektrisch stroompje tot gevolg, wat wordt versterkt totdat het uiteindelijk een leesbaar signaal afgeeft.

Volgens één van de Delftse onderzoekers, prof dr ir Herre van der Zant, biedt de detector ongekende mogelijkheden. “De kleinst mogelijke trilling die er bestaat, en die je dus kunt meten, is de nulpuntsenergie. Deze heeft nog niemand gemeten. Bij onze beste meting zagen wij een trilling die slechts 36 keer zo groot is als de nulpuntsenergie. De nulpuntsenergie meten is de heilige graal van ons onderzoeksveld. Dan ben je wel op weg naar de Nobelprijs.”

De nulpuntsenergie is de energie van de beweging die een atoom maakt bij het absolute nulpunt. Het is nog onduidelijk hoe groot de nulpuntsenergie precies is. Volgens theoretische berekeningen varieert deze tussen enkele megajoules per m3 tot de onvoorstelbare hoeveelheid van 10116 joule per m3. Hiermee zou een kubieke centimeter nulpuntsenergie, in één keer vrijkomend, genoeg zijn om de hele Melkweg te verdampen.

Science fiction

De nulpuntsenergie spreekt dusdanig tot de verbeelding dat deze al jarenlang pseudowetenschappers en science fiction schrijvers bezighoudt, maar Van der Zant blijft met beide benen op de grond. “Ons onderzoek heeft geen commerciële doeleinden. We gebruiken het alleen om het systeem van de nieuwe NEMS apparaten te begrijpen. Later kunnen we met onze detector ook de decoherentie gaan meten die optreedt in quantumcomputers. Dit is in de verre toekomst nuttig, maar het is wel iets dat we willen gaan doen. Dan gaan we ook samenwerken met de mensen van de quantumcomputers.”

Zie verder

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 31 augustus 2008
NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.