Je leest:

Hengelen naar de grenzen van de quantummechanica

Hengelen naar de grenzen van de quantummechanica

Onderzoek Universiteit Leiden bij ultralage temperatuur

Auteur: | 1 april 2016

In het Leidse laboratorium van Tjerk Oosterkamp kicken ze op kou. Hier wordt bij ultralage temperatuur onderzoek gedaan naar quantumeffecten in materialen, de structuur van eiwitten en de grenzen van de bizarre quantumwetten. Oosterkamp geeft Kennislink een rondleiding en legt uit hoe je iets afkoelt tot slechts een duizendste graad boven het absolute nulpunt.

NASA wil ISS koudste plek in het universum maken

Op 6 maart 2017 maakte ruimtevaartorganisatie NASA bekend dat ze plannen hebben om de koudste plek in het heelal te creëren in het International Space Station (ISS). Deze zomer willen ze een kleine vrieskist naar het ruimtestation sturen om daar de koudste plaats in het heelal te creëren. Die vrieskist heet het Cold Atom Laboratory (CAL), en de makers bij NASA hebben hem bijna af.

De vrieskist CAL is ontworpen om atomen in een gas te bevriezen tot één miljardste graad boven het absolute nulpunt van 0 Kelvin (-273,15 graden Celsius). Hiermee halen ze de lage temperatuur van het Leidse laboratorium van Tjerk Oosterkamp in. De vriezers in Leiden gaan tot een duizendste graad boven het absolute nulpunt.

Wanneer je atomen afkoelt tot zulke extreme temperaturen, komen ze in een staat die het ‘Bose-Einsteincondensaat’ wordt genoemd. Dit is een aggregatietoestand, zoals we ook de vaste, vloeibare en gasvormige fase kennen. Het wordt ook wel supervloeibaar genoemd en heeft heel interessante eigenschappen.

De zwaartekracht van de aarde zorgt er voor dat een Bose-Einsteincondensaat op onze planeet slechts een fractie van een seconde waarneembaar is. In de ruimte kan het Bose-Einsteincondensaat langer bestaan, waardoor onderzoekers meer tijd hebben om het te analyseren.

Tjerk Oosterkamp in het lab.
Stichting FOM

De koelkasten in het lab van Tjerk Oosterkamp bevatten geen melk, kaast, worst of bier. Het is ook zeer de vraag of je belegde broodje nog smakelijk uit deze machines komt. Samen met Oosterkamp loop ik langs een rij koelinstallaties die de prestaties van de koelkast thuis doen verbleken. Terwijl in het lab twee jonge onderzoekers geconcentreerd bezig zijn met de kabeltjes van een installatie is er op de achtergrond een herhalend gesis van heliumcompressors te horen.

Oosterkamp is natuurkundige aan de Universiteit Leiden en hij legt me uit dat hij materialen onderzoekt bij extreem lage temperaturen. Voor hem geldt ‘hoe kouder hoe beter’. Maar daar zit wel een onwrikbare grens aan: het absolute nulpunt. Op dat punt (-273,15 graden Celsius) staan atomen, waaruit alle materie is opgebouwd, helemaal stil en kan er niet nóg meer energie uit gehaald worden. De temperatuur kan simpelweg niet verder zakken. De onderzoekers in Leiden proberen zo dicht mogelijk bij deze bodemtemperatuur te komen.

De installaties in het Leidse lab zien eruit als metalen tanks die aan stevige metalen constructies hangen. In het hart daarvan worden materiaalmonsters van doorgaans minder dan een gram afgekoeld tot slechts een duizendste van een graad boven het nulpunt. Dat is perfect om materiaaleigenschappen tot in groot detail te onderzoeken. Oosterkamp onderzoekt onder andere biologische materialen, maar ook de grenzen van de quantummechanica. De effecten die hij onder de loep neemt zijn zo delicaat dat zelfs warmtetrillingen van atomen zijn experiment kunnen verpesten. Van die warmte wil hij dus af.

Koud kunstje

We stoppen bij een van Oosterkamps machines die tijdelijk buiten gebruik is vanwege gedane aanpassingen. Deels ontmanteld is de machinerie van de superkoelkast zichtbaar. Aan de stevige metalen constructie – die voor het absorberen van zoveel mogelijk trillingen een eigen fundering heeft – hangt een soort omgekeerde metalen toren. De ronde vergulde verdiepingen worden steeds iets kleiner naar onder toe, daartussen zit een wirwar van kabels, slangetjes en apparaatjes. Hoe dieper je ‘afzakt’ in de toren des te lager de temperatuur tijdens de experimenten.

Met dit apparaat worden temperaturen tot minder dan een millikelvin boven het absolute nulpunt gehaald.
Roel van der Heijden

Dit is met regelmaat een van de koudste plekken op aarde, misschien wel van het universum (zie kader Koudste plek in het universum?). De koeling is een samenspel van verschillende technieken die in opeenvolgende stappen vrijwel alle warmte uit een materiaal persen. Er wordt handig gebruikgemaakt van de thermodynamische wet die stelt dat een systeem (warmte)energie aan zijn omgeving onttrekt op het moment dat er meer wanorde of entropie in het systeem komt. Bijvoorbeeld wanneer een gas verdampt of uitzet (de reden waarom een spuitbus koud wordt) of wanneer stoffen gemengd raken.

De eerste koelstap maakt gebruik van vloeibaar helium dat bij -269 graden Celsius verdampt, slechts vier graden boven het nulpunt. Grote compressors in de kamer naast het laboratorium brengen het helium op hoge druk en pompen het naar de opstellingen waar het kan uitzetten. Helium is het ‘levenselixir’ voor Oosterkamps lab.

Een tank met vloeibaar stikstof.
Roel van der Heijden

Voor het verder koelen is helium waardeloos, eenmaal vloeibaar verandert de dichtheid nauwelijks meer. De wetenschappers gaan door met een andere koeltechniek. Een verdieping lager in de opstelling zit een systeem waar twee zogenoemde Isotoop van helium worden gemengd. Dat zijn twee varianten van de stof met een verschillend aantal neutronen in de atoomkern, maar die afgezien daarvan vrijwel dezelfde eigenschappen hebben. Het mengen van de twee stoffen vergroot de entropie en onttrekt meer warmte aan de omgeving. De temperatuur daalt verder: tot zo’n 0,01 graad boven het absolute nulpunt.

Voor Oosterkamp is zelfs dat nog niet koud genoeg. Helemaal onderin de toren zit een magnetische koeling. Met een magneetveld kunnen de atomen in een nikkellegering – die te beschouwen zijn als klein magneetjes – keurig geordend worden. Wanneer je dat magneetveld echter uitschakelt en de atomen zich weer in willekeurige richtingen bewegen, onttrekken ze warmte aan hun omgeving. De temperatuur daalt tot 0,0009 graden boven het absolute nulpunt. Het eindpunt van de koude toer.

Koudste plek in het universum?

De machines in Leiden krijgen vaak het vrij imposante predikaat ‘koudste plek van het universum’, maar is dat zo? Afgezien van de volgens Oosterkamp ‘paar honderd installaties’ die op aarde vergelijkbaar lage temperaturen kunnen bereiken, zou dit volgens hem inderdaad zo kunnen zijn. “Dat idee is gebaseerd op de kosmische achtergrondstraling die overal in het universum sterk aanwezig is”, zegt hij. “De straling is een paar graden boven het absolute nulpunt, en veel objecten zoals interstellaire gaswolken hebben ongeveer die temperatuur. We weten wel dat er plekken zijn die veel warmer zijn, zoals sterren en de planeten daaromheen. Maar spontane processen die ervoor zorgen dat iets veel kouder wordt dan de achtergrondstraling kennen we niet. Tja, of je moet denken aan intelligent buitenaards leven dat zich afvraagt hoe de wereld in elkaar steekt…”

Supermicroscoop

De superkoelkasten in Leiden zijn eigenlijk supermicroscopen, voor minutieus onderzoek naar materiaaleigenschappen. “We doen metingen die bij kamertemperatuur minder goed gaan of helemaal niet mogelijk zijn”, zegt Oosterkamp. “Denk aan het in kaart brengen van de structuur van materialen op atomair niveau. Of het gedrag van elektronen in een materiaal. Dit soort precisiemetingen worden doorgaans gehinderd door trillingen in het systeem.”

In tegenstelling tot een optische microscoop, die je misschien kent van de middelbare school, kunnen Oosterkamp en collega’s met hun machine niet alleen zien wat er op het oppervlak van een materiaal gebeurt, maar ook daaronder. “Daarvoor combineren we verschillende microscopische technieken in één apparaat”, zegt Oosterhuis. De machine is eigenlijk een kruising van een zogenoemde AFM-microscoop, die extreem uitvergrootte beelden van een oppervlak maakt door het met een fijne naald af te tasten, en een MRI-scanner, die in de wetenschap en medische wereld wordt gebruikt om beelden te vormen van wat er in een materiaal of (levend) weefsel gebeurt.

Het combineren van die twee technieken is geen sinecure. Oosterkamp legt uit: “Een MRI-scanner werkt normaal gesproken door een sterk magneetveld dat door het gehele weefsel gaat en wordt opgewekt en gemeten door grote spoelen. Wij gebruiken daarentegen en minuscuul magneetje. Een bolletje kleiner dan een micrometer (een miljoenste van een meter – red.) dat we aan een dunne ‘hengel’ binnen 10 tot 100 nanometer (een miljardste van een meter – red.) van een oppervlak brengen. We meten vervolgens de extreem fijne krachten die het magneetje ervaart door een interactie met het materiaal. Door de kleine afmeting halen we een enorm hoge resolutie.”

Een sterke vergroting van een krachtsensor die Tjerk Oosterkamp gebruikt bij extreem lage temperaturen. Een klein magneetje van enkele micrometers in diameter is aan een lange dunne ‘hengel’ bevestigd. Deze zorgt voor een extreem lokaal magneetveld waarmee de sensor dient als een MRI-microscoop. Deze afbeelding werd op zijn beurt gemaakt met een elektronenmicroscoop.
Oosterkamp-groep

Grenzen van de quantummechanica

Zelf onderzoekt Oosterkamp biologische materialen, zoals de werking van Eiwit . Hierbij wordt er volgens hem een momentopname van zeer hoge resolutie gemaakt. Zo kan uiteindelijk worden onderzocht hoe verschillende eiwitten samenwerken.

Maar ook dienen de machines om te onderzoeken tot waar de grenzen van die vreemde wetten van de quantummechanica reiken. Al bijna een eeuw lang weten natuurkundigen dat elementaire deeltjes zich raar gedragen. Ze kunnen zoals gezegd die onzichtbare interactie met elkaar aangaan, maar ook op meerdere plekken tegelijk zijn of dwars door muren heen gaan. Experimenten hebben dit keer op keer bevestigd, en toch weten we dat we zelf in een wereld leven waarin dat níet het geval is. Ergens moeten die werelden elkaar ontmoeten.

Een of zelfs meerdere atomen kunnen zich gedragen volgens de vreemde wetten van de quantummechanica. Zo kunnen ze in een zogenoemde superpositie raken en op meerdere plekken tegelijk zijn. Hoe groter een systeem is, des te moeilijker blijkt het om deze quantumeffecten te meten. De ‘klassieke’ wetten krijgen op een gegeven moment de overhand.

“Er is geen beschrijving van hoe groot een systeem moet zijn voordat het zich ‘klassiek’ gaat dragen”, zegt Oosterkamp. “Neem een klassieke stroommeter, die zal altijd één waarde aangeven. Wij kunnen in het lab echter zulke kleine sensors bouwen dat ze zich ‘quantum’ gaan gedragen en in feite meerdere waarden tegelijk aannemen!”

Dat is niet bepaald nuttig en vooral erg bizar. Maar zo’n systeem stelt Oosterkamp wél in staat interessante experimenten te doen. “We kunnen dat quantumgedrag aantonen door de stroommeter te laten reageren met een andere vergelijkbaar kleine stroommeter”, zegt hij. “De crux is nu het herhalen van dit experiment met steeds grotere systemen en kijken wanneer ze zich klassiek gaat gedragen.”

De wetten van de quantummechanica zijn vaag, evenals de grenzen ervan. Oosterkamp hoopt er in ieder geval iets over te leren met de experimenten die hij nu aan het opzetten is. En gezien het feit dat quantumsystemen extreem gevoelig zijn voor verstoringen, lijkt de diepe kou van het Leidse lab de perfecte plek om daarachter te komen.

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 01 april 2016

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.