Alles om ons heen bestaat uit hele kleine deeltjes die we “atomen” noemen. Ze vormen alles om ons heen en bepalen hoe de wereld eruit ziet en werkt. Onderzoek naar deze atomen geeft inzicht in hoe deze kleine deeltjes zo’n impact op onze wereld kunnen hebben. Maar deze deeltjes in beeld brengen? Dat is nog niet zo gemakkelijk.
Atomen zijn ongelofelijk klein. Een gemiddeld atoom is één miljoen keer kleiner dan een millimeter. Vanwege hun omvang is het moeilijk om meer over atomen te weten te komen. Je kunt er niet zomaar één uit de lucht halen en ernaar kijken. Ze zijn zo klein dat het onmogelijk is om ze te bekijken. Zelfs met de beste microscopen die er bestaan is het niet mogelijk om ze te zien. Er is dus iets anders nodig om de raadsels van deze kleine wereld te kunnen onthullen.
Gelukkig kunnen onderzoekers de atomen wel “voelen” doordat er onder speciale omstandigheden een klein stroompje kan gaan lopen. Als zij een hele scherpe naald boven een oppervlak houden voelen de atomen aan als hobbels wanneer de naald erover heen gaat. Door vervolgens over het hele materiaal heen en weer te lopen en bij te houden wat ze voelen, kan dit gebruikt worden om een beeld te maken van de atomen. Net als een blind persoon die braille leest. Dit wordt “Scanning Tunneling Microscopy” genoemd, ofwel STM. Om de voordelen van deze technologie te kunnen begrijpen, moeten we eerst weten wat het zo lastig maakt.
Trillen
Er is alleen wel een addertje onder het gras. Om de bobbels goed te kunnen voelen, moeten het materiaal en de naald erg stevig zijn. Als het schudt wordt het moeilijk om te lezen. Net zoals een blind persoon geen braille kan lezen terwijl deze off-road in een rallyauto rijdt. Helaas blijkt het heel lastig om alles stil te laten staan. Bijna alles in de wereld trilt namelijk wel een beetje. Dit zie je bijvoorbeeld als je een glas water op tafel zet. Het wateroppervlak staat bijna nooit helemaal stil. Een kleine tik op de tafel geeft al kleine golfjes in het glas. Ook geluid is een trilling in de lucht. Ook dit verstoort de metingen al. “Trillingen zijn een probleem als we structuren van kleine deeltjes willen bekijken, omdat de trillingen al snel groter zijn dan het geen waarnaar we kijken en dus het beeld verstoren.”, zegt Koen van Deelen, PHD student ultra-microscopie aan de Universiteit van Leiden.
Het oplossen van dit probleem is niet vanzelfsprekend. Het blijkt namelijk niet makkelijk om trillingen zo maar weg te halen. Het meetapparaat goed vast zetten lijkt misschien de meest voor de hand liggende methode, maar werkt vaak toch niet. Hetgeen waar je hem aan vastmaakt trilt namelijk ook. Aan de Universiteit Leiden hebben ze een oplossing gevonden. Ze hangen alles op aan veren. Trillingen komen namelijk niet goed door veren heen. Als je alles op een speciale manier afstemt kan je zo een plaat extreem stil laten hangen. “Het maken van zo’n veersysteem is zo makkelijk nog niet. Het is een gigantisch complex systeem met veel onderdelen die goed moeten zijn afgestemd en moeten samen werken.”, zegt van Deelen.
‘Onze techniek is meteen bruikbaar’
– Tjerk Oosterkamp Universiteit Leiden
Deze manier van ophangen en het dempen van trillingen is speciaal ontwikkeld voor het onderzoek naar atomen, maar het blijkt ook erg nuttig voor industriële doeleinden. “De technologie die wij leveren is al meteen bruikbaar voor de industrie.”, zegt Tjerk Oosterkamp, Hoogleraar experimentele natuurkunde aan de Universiteit Leiden. “Wij ontwikkelen technologie met de hoogst mogelijke eisen, vaak zijn die zelfs nog hoger dan die van de industrie.”
Extreme kou
De trillingen die door veren tegen gehouden kunnen worden noemen we “mechanische trillingen”. Dit is helaas niet de enige vorm van trillen als je heel klein wilt kijken. “Als dingen warm zijn, trillen ze namelijk ook.”, zegt Oosterkamp. Daarom doen ze in Leiden alles in een hele sterke vrieskist. Deze vrieskist is niet zoals je thuis gewend bent. Deze machine kan namelijk de hele opstelling tot wel -273 °C afkoelen, veel kouder dus dan een normale vrieskist.
‘Als je details wilt zien, moet je er fors onder zitten’
– Tjerk Oosterkamp Universiteit Leiden
Op deze temperaturen is alles vastgevroren. Je hebt dan dus geen last meer van trillingen door de temperatuur. Ook op wat hogere temperaturen zouden deze trillingen al niet zo groot meer zijn. Maar omdat de deeltjes zo ontzettend klein zijn, zijn ook hele kleine bewegingen door de temperatuur al te veel om de details te zien. “Een beetje koud zijn helpt al veel maar als je details van atomen wilt zien moet je écht ver onder de normale temperaturen zitten.”, zegt Oosterkamp.
Ook dit is niet gemakkelijk. Om zulke lage temperaturen te kunnen bereiken maken de onderzoekers in Leiden gebruik van een machine die heliumgas heen en weer pompt via een compressor, waardoor het heel veel afkoelt. Dit heet een “pulse buis”. Zoals je misschien al kan bedenken zorgt het heen en weer pompen van gassen natuurlijk weer voor stoten in het systeem. Dit verstoort weer de metingen. Onderzoekers in Leiden hebben een manier gevonden om ook deze bewegingen weg te halen.
Toepassingen
Fundamenteel onderzoek, zoals het kijken naar atomen, is leuk voor de academia, maar wat hebben we er nou eigenlijk aan? Dit is een vraag die vaak gesteld wordt. Het is op het eerste gezicht namelijk niet altijd even duidelijk wat de maatschappij eraan heeft als we een beter begrip hebben van wat een atoom is. Toch blijkt dit soort onderzoek cruciaal te zijn voor technologische ontwikkelingen.
“Fundamenteel onderzoek moet soms zijn bestaan nog wel eens verdedigen. Mensen zien niet altijd in dat veel technologische ontwikkelingen zijn voortgekomen uit het oplossen van problemen in fundamentele onderzoeken”, zegt Oosterkamp. Fundamentele onderzoeken worden namelijk gedaan op de absolute grens van de kennis die we hebben. Hierdoor willen onderzoekers vaak naar dingen kijken die nog nooit eerder zijn bekeken. Waar ze spullen voor nodig hebben die nog niet bestaan. In deze onderzoeken moeten dan dus nieuwe technologieën worden bedacht die de onderzoekers in staat stellen om hun vragen te beantwoorden. Deze technologieën blijken vaak ook buiten de onderzoeken toepassingen te hebben. Zo loop de beurshandel tegenwoordig op atoom klokken die eigenlijk ontwikkeld zijn voor precieze tijd metingen in de wetenschap. “Fundamenteel onderzoek staat ook in een bijzondere positie om technologische vooruitgang te maken, omdat wij aanpassingen kunnen maken aan onze apparaten zonder bang te zijn dat hun functionaliteit vermindert. Dat is immers deel van ons onderzoek, om dat soort dingen in kaart te brengen. Dat is een luxe die de industrie niet heeft, daar moeten dingen werken.”, aldus Oosterkamp.
Oosterkamp en Van Deelen zien ook veel toepassingen voor de technologieën die zijn ontwikkeld voor het STM onderzoek. Met name vanuit de wereld van quantum technologieën wordt er gekeken naar wat er uit het onderzoek in Leiden komt. “Wij hebben bijvoorbeeld de technologie van vibratie isolate al verkocht aan bedrijven. Dit is bijvoorbeeld goed voor chip productie.”, zegt Oosterkamp. De eisen van fundamenteel onderzoek zijn vaak hoger dan die van de industrie, daar hoeft iets bijvoorbeeld niet persé tot één atoom stil te hangen, maar bij STM wel. Dus als ze in Leiden iets verzinnen wat voor hun werkt, werkt dat zeker voor de industrie ook. De groep ziet nog veel toekomstige ontwikkelingen waar ze zich over willen buigen. Zoals het verkorten van de tijd dat het kost om nieuwe materialen te onderzoeken, zodat de industrie misschien zelf nieuwe materialen kan gaan maken, testen en verbeteren. Ze zullen dus voorlopig nog doorgaan met het verleggen van de grenzen van menselijke kennis en technologische vooruitgang.