Quantumpionier Dirk Bouwmeester ontvangt Spinozaprijs

Dirk Bouwmeester ontvangt dit jaar een Spinozapremie van 2,5 miljoen euro van de Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek (NWO). Hij zal dat geld onder andere besteden aan onderzoek naar macroscopische quantumeffecten en plasmaringen. Kennislink spreekt de natuurkundige die zijn tijd verdeelt tussen Leiden en het Amerikaanse Santa Barbara.

6 juni 2014

Hij combineert het beste van twee werelden. Natuurkundige Dirk Bouwmeester zit ongeveer de helft van zijn tijd in de Verenigde Staten, aan de Universiteit van Californië in Santa Barbara, waar hij extreem kleine nanostructuren kan maken. Deze verscheept hij vervolgens naar de Universiteit Leiden. Daar stelt hij ze bloot aan de laagste temperaturen die de wereld kent.

De extreme kou brengt bijzondere materiaaleigenschappen naar boven en laat hem experimenten doen die anders niet mogelijk zouden zijn. Bouwmeester is pionier in verschillende onderzoeksvelden en daarvoor neemt hij de vele vluchten en telefoontjes heen en weer op de koop toe.

Quantumwereld oprekken

De vreemde wetten van de quantummechanica leren ons dat deeltjes zich op meerdere plekken tegelijk kunnen bevinden of twee kanten tegelijk op kunnen draaien, iets wat een superpositie wordt genoemd. Deze regels zijn normaalgesproken alleen van toepassing op de allerkleinste deeltjes die we kennen, zoals atomen. Bouwmeester probeert de quantumwereld in een van zijn experimenten echter op te rekken naar een veel groter object: een spiegeltje met een dikte van een haar dat op verschillende plekken tegelijk zou kunnen zijn. Dat is bijzonder want normaalgesproken gedraagt dit object zich ‘klassiek’. Een superpositie is hier nog nooit waargenomen.

Bouwmeester houdt zich bezig met de fundamentele vraag waarom de quantumwereld lijkt op te houden zodra objecten groter worden. “De quantummechanica zegt eigenlijk dat er geen klassieke wereld bestaat,” zegt Bouwmeester, “maar dat het voor grote objecten alleen heel moeilijk is om aan te tonen dat er zoiets als een superpositie is.”

Grote objecten in een superpositie: een voetbal die op twee plekken tegelijk is, een kat die zowel levend als dood is, het is niet voor te stellen. Toch wil Bouwmeester zo’n superpositie gaan testen, niet met dieren maar met zijn spiegeltje. Dat zou theoretisch moeten lukken in een opstelling die extreem gekoeld is, tot minder dan een microkelvin, oftewel een miljoenste graad boven het absolute nulpunt. “We hebben de afgelopen jaren veel technologische vooruitgang geboekt. Zowel bij het maken van een geschikt spiegeltje en op koelgebied, maar nog steeds kunnen we nog niet koud genoeg”, zegt Bouwmeester. “We zitten op ongeveer 70 microkelvin.”

Een spiegeltje uit een experiment van Bouwmeester in het geel in het midden van de opname. Het heeft ongeveer de dikte van een haar en is met dunne armen (in groen) verbonden aan de opstelling.
Dirk Bouwmeester

Niet alleen kan dit experiment fundamentele vragen beantwoorden, het zou ook praktisch nut kunnen dienen, aldus Bouwmeester. “We kunnen de toestand van het spiegeltje bijvoorbeeld gebruiken om quantuminformatie op te slaan in een toekomstige quantumcomputer, of informatie tussen quantumsystemen en licht uit te wisselen.”

Zilveratomen in het DNA

Ander onderzoek van Bouwmeester heeft toepassingen in een heel ander vakgebied. Hij probeert met kleine verzamelingen van zilveratomen het gedrag van DNA zichtbaar te maken. “Zilveratomen hebben de neiging om zelf clusters te vormen in aanwezigheid van DNA. Bovendien is dat afhankelijk van de sequentie van het DNA”, zegt Bouwmeester. “Dat is interessant omdat deze clusters via fluorescentie licht kunnen uitzenden waarvan de golflengte varieert, afhankelijk van de grootte van de clusters. Je hebt nu de situatie waarin de golflengte van het licht verandert als het DNA verandert, en dat biedt mogelijkheid.”

In samenwerking met het Leids Universitair Medisch Centrum wordt bekeken of deze zilverclusters kunnen dienen voor het onderzoeken en behandelen van erfelijke ziektes. Het biedt echter ook mogelijkheden om cellen gericht te doden, met toepassingen in de strijd tegen kanker. “Als DNA met de zilverclusters bindt aan ander DNA dan komt dat zilver vrij in de cel waardoor zij sterft”, zegt Bouwmeester. “Dit onderzoek is nog in een pril stadium, maar ik zie hier kansen.”

Kernfusie in knopen

Tot slot reikt Bouwmeesters onderzoek tot op het gebied van kernfusie. Al ruim een halve eeuw wordt er geprobeerd om energie te winnen uit fuserende atomen, vooralsnog met kleine successen. Een van de grootste drempels daarbij is het controleren van een extreem heet plasma waarin atoomkernen kunnen samensmelten.

“In grote kernfusieprojecten als ITER ligt de structuur van het plasma van te voren helemaal vast door de vorm van de reactor. Dat is lastig, want de onderzoekers moeten hun uiterste best doen om de instabiliteiten aan de rand van reactor op te lossen. Wij zeggen: je moet de vorm van het plasma aanpassen. Dat zou moeten lukken in plasmaringetjes van enkele millimeter groot”, aldus Bouwmeester.

Een illustratie van International Thermonuclear Experimental Reactor. Rond de donutvormige holte zitten de spoelen. — In de grote kernfusiereactor ITER ligt de vorm van het plasma van te voren helemaal vast.
Karlsruhe Institute of Technology

Hij wil die stabiele plasmaringetjes creëren en controleren met krachtige lasers. Iets waarvoor Bouwmeester naar eigen zeggen het geld van Spinozapremie goed kan gebruiken.

De prestigieuze premie kwam overigens geheel onverwachts. “Ik wist niet eens dat ik genomineerd was,” lacht Bouwmeester, “maar ik ben daar onze directeur – professor Eric Eliel – erg dankbaar voor. Toen de directeur van het NWO belde was ik in de veronderstelling dat er wellicht wat vragen waren over een onderzoeksvoorstel of zoiets dergelijks. Toen ik hoorde dat ik 2,5 miljoen zou krijgen voor mijn onderzoek werd ik wel even stil.”

De Spinozawinnaars van dit jaar zijn…

Dirk Bouwmeester, Hoogleraar Natuurkunde aan de Universiteit Leiden en de University of California, Santa Barbara.
Corinne Hofman, Hoogleraar Archeologie van het Caribisch gebied aan de Universiteit Leiden.
Mark van Loosdrecht, Hoogleraar Milieubiotechnologie aan de Technische Universiteit Delft.
Theunis Piersma, Hoogleraar Trekvogelecologie aan de Rijksuniversiteit Groningen.