Bibberende diamanten

In mijn vorige blog vertelde ik dat wij experimenten doen met een foutje in diamant: het stikstof-gat centrum (NV centrum). Waar we vooral gebruik van maken is het licht dat dit NV centrum uitzendt. De kleur van dit licht is afhankelijk van zijn toestand. Dit komt ons heel goed uit: nu kunnen we meten welke toestand het NV centrum heeft. Maar daarvoor moeten we onze diamant wel afkoelen tot onvoorstelbaar lage temperaturen.

Bibberen van de warmte
Deze mooie eigenschap, waardoor we de toestand kunnen meten, komt alleen op hele lage temperatuur echt goed tot zijn recht. Warmte levert namelijk energie, en hierdoor gaat alles op kleine schaal een beetje trillen. Materiaal bibbert dus bij hogere temperaturen. Deze trillingen, ze heten fononen, kunnen energie uitwisselen met de energie van het NV centrum, en hierdoor heeft het niet meer zulke specifieke kleuren licht als wij nodig hebben om zijn toestand in één keer uit te kunnen lezen. Als we de diamant afkoelen, vriezen we die fononen er uit, wat ervoor zorgt dat het NV centrum precies de goede kleur licht uitzendt.

Door meten tot weten
‘Door meten tot weten’ is de bekende uitspraak van Heike Kamerlingh Onnes. Deze professor uit Leiden was in 1908 de eerste die zulke lage temperaturen bereikte als wij nu iedere dag gebruiken in het lab. Hij maakte helium vloeibaar, dit gebeurt bij een temperatuur van -269 graden Celsius. Hiervoor won hij de Nobel prijs, en werd wereldberoemd: tot 1923 lukte het namelijk niemand om dit hem na te doen. Vele natuurkundigen kwamen naar Leiden om hun experimenten op lage temperatuur te kunnen doen.

Alle dagen koud
Tijdens onze experimenten houden we onze diamant koud. Dit betekent in mijn geval soms een half jaar zonder pauze. Hiervoor hebben we veel vloeibaar helium nodig. Inmiddels is Heike Kamerlingh Onnes niet meer de enige die dit kan maken. In de universiteit hebben we een gesloten systeem waarin opgewarmd heliumgas eerst in grote ballonnen wordt opgevangen. Daarna wordt het door onze technische staf vloeibaar gemaakt en in vaten gestopt, klaar voor gebruik.

Thermos-koelkast met een raampje
Gelukkig is het in ons lab gewoon 20 graden. We koelen onze diamant af in een soort grote thermosfles: een cryostaat. Dit houdt de kou binnen, en de warmte buiten. Dat is belangrijk, want het is moeilijk zo’n groot temperatuurverschil stabiel te houden. De cryostaat bestaat uit verschillende lagen. Daartussen zit een goed vacuüm, om zo min mogelijk contact tussen verschillende temperaturen te hebben. Ook is er een laag met vloeibaar stikstof, deze koelt alvast een beetje voor, want vloeibaar stikstof heeft een temperatuur van -196 graden Celsius. Helemaal in de binnenste laag van de cryostaat zit de diamant. Om toch nog onze experimenten met licht te kunnen doen hebben alle laagjes een raampje, dus kunnen we de diamant wel zien.

Nóg kouder!
De cryostaat die ik hier beschrijf gaat tot 4 graden boven het absolute nulpunt. Voor onze experimenten met diamant is dat koud genoeg, maar er wordt veel onderzoek gedaan op nog veel lagere temperaturen, tot wel enkele milli-graden boven het absolute nulpunt. Met een speciale mix van isotopen van helium en lage druk, kunnen deze temperaturen worden bereikt. Dat is wat anders dan een ijsje dat je zo uit de vriezer kunt pakken!