Star Wars op je tafelblad

Ooit was het de fantasie van Ronald Reagan om met een nucleaire röntgenlaser raketten uit de lucht te schieten. Dat is onhaalbaar, maar de groep van Margaret Murnane maakte de echte röntgenlaser tot een veelzijdig onderzoeksinstrument.

16 december 2014

Margaret Murnane’s advies aan vrouwelijke bèta’s met ambitie: ‘Kies een onderzoeksgroep uit waar vrouwen al successen behaald hebben.’
M.Murnane

Margaret Murnane was eind oktober een van de _keynote_-sprekers op NanoCity, de jaarlijkse bijeenkomst voor iedereen die in Nederland met nanotechnologie bezig is. De van origine Ierse kwam vertellen hoe haar onderzoeksgroep een röntgenlaser heeft ontwikkeld die op een labtafel past, een doorbraak in dit vakgebied. Het opent de mogelijkheid om echt op atomaire schaal en live te zien wat er gebeurt bij chemische reacties of wanneer er stroom door een nanodraadje op een chip loopt. Zulke processen verlopen niet alleen op heel kleine schaal, maar razendsnel, op een termijn van femtoseconden (10^-15 ofwel 0,000000000000001 seconde). Betere nanotechnologie, betere chemische katalysatoren, betere medicijnen, misschien betere supergeleiders, de mogelijkheden zijn nog niet te overzien.

‘Toen in 1960 de eerste laser gebouwd werd,’ aldus Murnane, ‘was het “een oplossing op zoek naar een probleem”, want men had geen idee wat we er mee moesten.’ Dat ‘probleem’ kwam er, en het heette ‘het internet’. Zonder lasers zou de ruggengraat van het internet, het glasvezelnetwerk, niet kunnen functioneren. Murnane wil maar zeggen: van wat de röntgenlaser ons uiteindelijk gaat opleveren hebben we nog geen idee.

Star Wars bleek een miljarden verslindende fata morgana. Tegen een massale aanval met intercontinentale raketten bestaat nog steeds geen verdediging.
Wikipedia, US Air Force

Kernraketten neerschieten

Het idee voor de röntgenlaser dateert uit de jaren tachtig, toen een aantal militaristische fysici, waaronder de vader van de Amerikaanse waterstofbom, Edward Teller, de naïeve president Ronald Reagan het Star Wars programma aanpraatte. De VS en de Sovjet-Unie bedreigden elkaar met wederzijdse totale vernietiging (MAD, Mutual Assured Destruction), omdat er geen verdediging bestond tegen elkaars intercontinentale kernraketten. Futuristische technologie zou de Sovjet-Russische raketten na lancering als kleiduiven uit de ruimte moeten schieten. Een belangrijk onderdeel was project Excalibur, een röntgenlaser die in essentie bestond uit een bundel metalen staven rond een atoombom. De bom levert de stralingsenergie om de staven zo ‘op te pompen’ dat ze bundels röntgenstraling gaan uitzenden die op duizenden kilometers afstand raketten vernietigen. Uiteraard wordt de röntgenlaser na een paar microseconden vernietigd door de explosie, maar dan zijn de dodende stralen al onderweg.
In haar keynote-lezing rekende Murnane snel even voor waarom daar een atoomexplosie aan te pas moet komen: de energie die nodig is voor dit soort laserwerking is omgekeerd evenredig met de 5de macht van de golflengte. Dus als je een goed werkende laser voor rood licht hebt, en je wilt een laser maken voor blauw licht (twee keer zo kleine golflengte) dan moet je er 2×2×2×2×2=32 keer zo veel energie in stoppen. Maar de golflengte van röntgenstraling is minstens veertig maal zo klein als die van zichtbaar licht, dus zo’n laser slurpt minstens honderd miljoen keer zo veel energie.
Zoals nuchterder fysici van het begin af aan al zeiden, bleek het Star Wars programma een miljarden verslindende fata morgana, die vrijwel niets heeft opgeleverd.

In het slop

De ontwikkeling van lasers met kortere golflengte leek lange tijd in het slop te zitten. Murnane: ‘In 53 jaar hadden we met z’n allen de minimale golflengte van table top lasers maar met een factor vier omlaag gebracht.’
Sindsdien zijn wel vrije-elektronenlasers gebouwd, die ook röntgenstralen kunnen produceren. In het Nederlandse FOM-instituut Rijnhuizen staat er bijvoorbeeld een. Deze werken volgens een heel ander principe. Het zijn enorme, kostbare installaties, die worden aangedreven door een synchrotron, een grote deeltjesversneller. Uiteraard kent Murnane deze free electron laser, waar ze een onvertaalbaar grapje over maakt: ‘It is a marvellous machine, but it is certainly not free.’ (Het is een prachtige machine, maar hij is zeker niet gratis).
Murnane is samen met haar echtgenoot Henry Kapteyn (nazaat van de beroemde Nederlandse astronoom Jacobus Kapteyn) hoofd van een laser researchgroep aan de universiteit van Colorado.

In 2012 boekte de groep de grootste doorbraak tot nu toe met de presentatie van een röntgenlaser die op een labtafel past en die heel bescheiden is in zijn energieverbruik. Maar hij is niet alleen veel kleiner en goedkoper dan een vrije-elektronenlaser. Murnane: ‘In sommige gevallen kunnen wij betere prestaties leveren dan een vrije-elektronenlaser.’
Sowieso is ook ‘beschikbaarheid’ een belangrijke kwaliteit van een onderzoeksinstrument. Er zijn op de hele wereld maar een handvol vrije-elektronenlasers, maar het is Murnane en Kapteyns uitdrukkelijke bedoeling, dat ‘hun’ röntgenlaser in labs over de hele wereld komt te staan. ‘Nu kan zelfs een student een nieuw experiment met een röntgenlaser bedenken, en dat kost dan misschien een miljoen dollar, zoiets als de prijs van een geavanceerde elektronenmicroscoop.’
Murnane’s röntgenlaser is overigens niet op te schalen tot Reagans gedroomde dodende straal: ‘Een molecuul opblazen, dat is geen probleem.’

Foto van de trilholte met gas die röntgenlaserstraling produceert. Het lijkt een simpel apparaatje, maar al z’n eigenschappen moeten exact kloppen om er een intense bundel uit te krijgen.
M.Murnane

Schijnbaar simpel recept

Het recept om een röntgenlaser te maken klinkt simpel: schiet een zeer intense laserstraal infrarood licht in een buisje dat heliumgas onder hoge druk bevat. Als de afmetingen van het buisje en alle overige omstandigheden precies goed zijn, doet het infrarood licht iets wonderlijks met de heliumatomen waardoor die met z’n allen een laserbundel van röntgenstraling produceren. Als je licht opvat als een stroom van deeltjes, fotonen, komt het erop neer dat een stuk of honderd infraroodfotonen samen één röntgenfoton produceren.
Het is een effect dat valt onder de noemer ‘niet-lineaire optica’. De gewone ‘lineaire’ optica van lenzen en spiegels beschrijft wat licht doet als de intensiteit niet al te hoog is. Licht is een elektromagnetische golf, het bestaat uit snel wisselende elektrische en magnetische velden. Hoe intenser het licht, hoe sterker deze velden. Maar elk atoom wordt bij elkaar gehouden door elektrische krachten tussen de atoomkern en de elektronen die er omheen draaien. Als het elektrische veld van de lichtgolf net zo sterk wordt als het elektrische veld tussen een atoomkern en zijn elektronen, bereik je het domein van de niet-lineaire optica en treden vreemde effecten op, zoals meerdere fotonen die samen één foton met een hogere energie vormen.
Murnane: ‘Onze groep heeft niet het principe van de röntgenlaser ontdekt, maar wel hoe we de bundel heel intens konden maken, en we hebben de meeste toepassingen ontwikkeld. We hebben een handleiding geschreven om zo’n laser te bouwen.’
Geen enkele laser kan continu zo veel energie leveren dat de lichtintensiteit ‘niet-lineair’ is; dat lukt alleen door alle mobiliseerbare energie in zeer korte pulsen te persen. De infraroodlaser schiet pulsen af die ongeveer tien femtoseconde duren. Door de manier waarop de röntgenstraling ontstaat, is de röntgenpuls die naar buiten komt zelfs nog veel korter. Murnane: ‘De natuur helpt ons, die wil als het ware extreem korte pulsen maken.’

3D röntgenbeeld van een nanostructuur. De schaal in verticale richting verschilt van die in horizontale richtingen. Het zwarte vierkant is ongeveer 40 × 40 micrometer, 0,04 × 0,04 millimeter. De hoogte is 35 nanometer, 0,000000035 millimeter. Een vergelijkbaar beeld is ook te verkrijgen met een atomic force microscoop, maar dat duurt veel langer, omdat een naaldje dan het hele oppervlak moet aftasten.
M.Murnane

Extreem korte pulsen zijn nodig om van de röntgenlaser een bruikbaar instrument te maken. Je wilt hem namelijk gebruiken als een soort stroboscoop die snel verlopende processen, zoals twee moleculen die een chemische reactie aangaan, in losse beeldjes kan opsplitsen. Dan moeten die pulsen (flitsen) nog veel korter duren dan het proces zelf.
Murnane: ‘We kunnen nu pulsen maken die zo kort duren dat ze de fundamentele limiet benaderen van wat fysisch mogelijk is.’ Die grens ligt bij 2 attoseconden, (2×10^-18, ofwel 0,000000000000000002 seconden) ongeveer het dubbele van de tijd die licht nodig heeft om van de ene kant van een atoom naar de andere te reizen. Nog korter kan niet wegens de onzekerheidsrelaties van Heisenberg, die absolute grenzen stelt aan hoe nauw je een puls met een zekere energie kunt ‘samenknijpen’.
Minstens zo belangrijk is het feit, dat de bundel ‘coherent’ is, het kenmerkende verschil tussen gewoon licht en laserlicht. Licht wordt geproduceerd door talloze atomen die allemaal hun eigen fotonen produceren. Maar dat kan coherent, of niet coherent. Een vergelijking met geluid is verhelderend: gewoon, niet-coherent licht is als het geroezemoes van een menigte mensen die allemaal door elkaar heen praten. Laserlicht is als het geluid dat wordt geproduceerd door een goed gedirigeerd zangkoor van net zoveel mensen. Ook al zou het totale geluidsvolume hetzelfde zijn, toch is de uitwerking totaal verschillend.
Zo kun je met laserlicht ook essentieel andere dingen doen dan met gewoon licht. Een voorbeeld waar Murnane enthousiast over is: ‘Als je een coherente bundel hebt, kun je een plaatje maken zonder lens.’ Je hoeft een voorwerp dan maar heel kort te belichten, en kunt uit de gereflecteerde straling (met behulp van geavanceerde wiskunde en een computer, dat wel) de vorm van het voorwerp reconstrueren, in drie dimensies.

Voorbij de ‘röntgengloeilamp’

De allersimpelste manier om zichtbaar licht te produceren is: iets heel heet maken. Dat is het principe van de gloeilamp, een lichtbron die nu erg primitief is vergeleken met wat we sindsdien aan spaar- en led-lampen en lasers hebben ontwikkeld. Zo beschrijft Murnane ook de ontwikkeling op haar vakgebied tot een paar jaar geleden: ‘Röntgen-bronnen waren honderd jaar na de ontdekking van röntgenstraling eigenlijk nog steeds niet meer dan ‘röntgen-gloeilampen’.
Met de nieuwe coherente röntgenbronnen kunnen we dwars door materialen heen kijken, zien welk soort atomen precies waar zit, en hoe elektrische lading (elektronen) zich daar doorheen beweegt. Nu nanotechnologie van de grond begint te komen, is het van het grootste belang dat we precies kunnen zien hoe die nano-machientjes in de praktijk werken, live, dus op een tijdschaal van femtoseconden. Met röntgenapparatuur zoals die nu in bijvoorbeeld ziekenhuizen staat kan dat principieel niet, noch met elektronenmicroscopen.
Tijdens haar keynote-lezing liet ze zien hoe je met een röntgenlaser heel nauwkeurig kunt volgen hoe warmte zich verspreidt door een nanostructuur. Dat gaat anders dan in grote voorwerpen, en je moet daar terdege rekening mee houden bij het ontwerpen van nanostructuren. Dat dit een eye-opener is bleek wel tijdens de vragen na afloop van haar lezing. Iemand in het publiek vertelde dat hij dit abnormale warmte-effect indirect had opgemerkt bij zijn onderzoek aan een nanostructuur, en zich jarenlang had afgevraagd wat hier aan de hand was.

Dus jij wordt lerares?

Margaret Murnane is binnen dit hard core natuurkunde vakgebied een van de zeldzame vrouwen op een toppositie – en daar moeten we het toch nog even over hebben. Net als in Nederland, zijn er in de VS weliswaar vrouwelijke bèta-studenten en vrouwelijke promovendi en postdocs, maar nauwelijks vrouwelijke hoogleraren. Ook Murnane denkt dat min of meer subtiele, impliciete stereotypering een belangrijke rol speelt. Dat gaat onder andere zo: ‘Toen ik 25 jaar was, zei iedereen die er achter kwam wat ik deed tegen me: “dus jij wordt lerares?”’
Ze zag bij veel van haar vrouwelijke collega’s dat ze uiteindelijk niet doorstroomden naar een carrière in het onderzoek: ‘Ze faalden niet, maar ze hielden er mee op.’ Werken in een omgeving met bijna alleen maar mannen blijkt voor vrouwen doorgaans niet aantrekkelijk, en zo houdt de mannelijke dominantie zichzelf in stand, ook zonder expliciete discriminatie en ongeacht alle goede bedoelingen. Murnane heeft in dat verband wel een advies aan vrouwen met bèta-ambities: ‘Kies een onderzoeksgroep uit waar vrouwen al successen behaald hebben.’
Natuurlijk bestaat er geen vrouwelijke wetenschap, maar een vrouwelijker manier van wetenschap bedrijven, zonder overdreven competitiedrift bijvoorbeeld, misschien bestaat dat? Murnane ziet er wel wat in: ‘Dat geldt trouwens voor elke carrière: probeer je zogenaamde zwakte om te zetten in een voordeel. Wees een goede teamspeler, en bouw lange termijn collegiale relaties op. Om goed onderzoek te doen is een team nodig, en dat wordt niet in elke omgeving gestimuleerd.’

Een van de citaten van Murnane is afkomstig uit deze “webcast van de National Science Foundation”: