Je leest:

Terug naar Leidse kou

Terug naar Leidse kou

Auteur: | 5 juli 2007

Natuurkundige Dirk Bouwmeester komt terug naar Leiden. Met behulp van een Marie Curie Excellence Grant kan hij een Europese onderzoeksgroep opzetten, op jacht naar het absolute nulpunt.

Dirk Bouwmeester, specialist in kwantumoptica en kwantuminformatie, gaat doen wat hij zelf bestudeert: zich in tweeën splitsen, en vervolgens een relatie met zichzelf onderhouden op afstand. Verstrengeling heet dat in zijn vak. Bouwmeester (1967) combineert sinds 1 februari zijn hoogleraarschap in Santa Barbara met een leerstoel in Leiden. Doelen: kwantumverschijnselen aantonen bij macroscopische objecten, en wetenschappers opleiden aan beide zijden van de oceaan.

Dirk Bouwmeester, bron: NWO

Hij studeerde in Leiden, promoveerde er ook en kwam via Oxford, Innsbruck als hoogleraar terecht aan de University of Santa Barbara in Californië. Voor zijn experimenten met kwantumteleportatie, driedeeltjes-kwantumverstrengeling en quantum cloning werd hij in 2005 bekroond met de Descartesprijs. Hoogleraar Peter Kes, tot voor kort directeur van het Leids Instituut voor Onderzoek in de Natuurkunde: ‘Het knappe is: hij heeft allerlei ideeën voor uitdagende experimenten, die hij nog weet uit te voeren ook. Hij is een magneet voor ambitieuze postdocs.’

De Universiteit Leiden haalde Bouwmeester terug met behulp van de Europese Unie die een Marie Curie Excellence Grant van twee miljoen euro uitkeerde, bedoeld om binnen Europa een transnationale onderzoeksgroep op te zetten.

Koelinstallatie.

Het koelen van minuscule macroscopische objecten met behulp van laserlicht is hot, en wetenschappers proberen elkaar af te troeven met ingenieuze trucs om steeds lagere temperaturen te bereiken. In Nature beschreef Bouwmeester een door hem ontworpen variant, die gebruikmaakt van de kracht die licht uitoefent door te reflecteren aan het spiegeltje. ‘Hiermee kunnen we een kleine mechanische veer met daarop een spiegeltje koelen van kamertemperatuur (ongeveer 293 Kelvin) tot ongeveer – 273 graden Celsius (0,133 Kelvin).’ Het absolute nulpunt (vastgesteld op 0 Kelvin, en onbereikbaar) ligt bij -273,16 graden Celsius. Twee andere groepen, die in dezelfde editie van Nature hun onderzoek naar koeling met fotonen publiceerden kwamen niet verder dan 10-20 K.

Leids specialisme

In Leiden, dat in 1908 de ‘koudste plek op aarde’ werd toen Heike Kamerlingh Onnes Helium-4 vloeibaar wist te maken, is het onderzoek bij extreem lage temperaturen nog steeds een specialisme. Het Leids Instituut voor Onderzoek in de Natuurkunde beschikt over high-tech cryogene opstellingen, en de bijbehorende trillingsvrije eilanden. De fijnmechanische dienst, eveneens een erfenis van Kamerlingh Onnes, is nauw bij het onderzoek betrokken, en zorgt voor techniek op maat. Gekoeld met behulp van fotonen wordt er in Leiden echter nog niet.

‘De koelvloeistof helium is nog steeds de basis’, vertelt Peter Kes. ’Al is dit niet meer helium-4, maar helium-3, dat pas sinds de jaren vijftig beschikbaar is dankzij de waterstofbom. Daarmee kun je koelen tot 300 milli-Kelvin.We kunnen een met helium voorgekoelde vaste stof nog verder koelen. Bijvoorbeeld met een mengkoelmachine waarin een mengsel van Helium- 3 en Helium-4 wordt ontmengd. De laagste waarden die hiermee zijn behaald liggen rond de 10 milli-Kelvin. Een andere methode maakt gebruik van het aan- en uitzetten van een magnetisch veld.

Kes: ‘Als je een voorwerp, dat je met helium hebt voorgekoeld in een magneetveld zet, dan richten zich de spins in dat voorwerp parallel aan dat magneetveld. Dan isoleer je het voorwerp thermisch van de omgeving, en haal je het magnetische veld er weer af. De spins willen dan meteen alle richtingen op. Dat kan alleen door energietoevoer, dus door opwarming. Maar omdat het systeem geïsoleerd is kan er geen warmte worden onttrokken aan de buitenwereld. De enige mogelijkheid is dan: warmte onttrekken aan het voorwerp waar de spins inzitten.Dus koelt het voorwerp af. Hiermee bereiken we temperaturen van minder dan 1 milli-Kelvin. Met kernspins kan deze techniek ook, dan wordt het nog kouder.’

Bouwmeester gaat deze Leidse technieken combineren met zijn eigen manier van optische koeling. Hij vermoedt dat hij en zijn groep dan temperaturen van een miljoenste Kelvin kunnen bereiken. Bij die uitzonderlijk lage temperaturen hopen ze vervolgens de kwantumeigenschappen van de veer met het spiegeltje te bestuderen. Naast deze experimenten met optische koeling zal Bouwmeester een tweede project beginnen met als doel elementaire bouwstenen te ontwikkelen voor een zogenoemde kwantumcomputer, de heilige graal van al het kwantumonderzoek.

Koelen door eerst alle magneetveldjes in een materiaal dezelfde kant op te dwingen en ze daarna los te laten. Tijdens het vrijkomen uit hun orientatie nemen de magneetjes van de atomen energie op en koelt het materiaal als geheel af. bron: Universiteit van Stuttgart.

Zoals Leiden een heeft naam hoog te houden op het gebied van lage temperaturen staat de University of Santa Barbara in Californië nummer één op het gebied van nano-engineering. Nanofabricage is hun specialiteit. Bouwmeester gaat de twee expertises bij elkaar brengen. Vanaf 1 juni neemt hij voor een half jaar zijn intrek in Leiden. Maar eerst komt hij eind maart zijn werkplek inspecteren. Om zijn onderzoeksgroep ruim baan te geven moet daar het een en ander afgebroken en opgebouwd worden. ‘Dat heb je als je een nieuwe experimentator inhuurt’, zegt Kes. Drie van vijf zware betonnen ‘tempels’ op trillingsvrije eilanden zullen bijvoorbeeld moeten sneuvelen. Eén van de beide resterende tempels is voor Bouwmeester. Dat wordt de behuizing van zijn lage-temperatuuropstelling.

Dit artikel is een publicatie van Leidraad (Universiteit Leiden).
© Leidraad (Universiteit Leiden), alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 05 juli 2007
NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.