Hengelen naar de grenzen van de quantummechanica

De koelkasten in het lab van Tjerk Oosterkamp bevatten geen melk, kaast, worst of bier. Het is ook zeer de vraag of je belegde broodje nog smakelijk uit deze machines komt. Samen met Oosterkamp loop ik langs een rij koelinstallaties die de prestaties van de koelkast thuis doen verbleken. Terwijl in het lab twee jonge onderzoekers geconcentreerd bezig zijn met de kabeltjes van een installatie is er op de achtergrond een herhalend gesis van heliumcompressors te horen.

Oosterkamp is natuurkundige aan de Universiteit Leiden en hij legt me uit dat hij materialen onderzoekt bij extreem lage temperaturen. Voor hem geldt ‘hoe kouder hoe beter’. Maar daar zit wel een onwrikbare grens aan: het absolute nulpunt. Op dat punt (-273,15 graden Celsius) staan atomen, waaruit alle materie is opgebouwd, helemaal stil en kan er niet nóg meer energie uit gehaald worden. De temperatuur kan simpelweg niet verder zakken. De onderzoekers in Leiden proberen zo dicht mogelijk bij deze bodemtemperatuur te komen.

De installaties in het Leidse lab zien eruit als metalen tanks die aan stevige metalen constructies hangen. In het hart daarvan worden materiaalmonsters van doorgaans minder dan een gram afgekoeld tot slechts een duizendste van een graad boven het nulpunt. Dat is perfect om materiaaleigenschappen tot in groot detail te onderzoeken. Oosterkamp onderzoekt onder andere biologische materialen, maar ook de grenzen van de quantummechanica. De effecten die hij onder de loep neemt zijn zo delicaat dat zelfs warmtetrillingen van atomen zijn experiment kunnen verpesten. Van die warmte wil hij dus af.

Koud kunstje

We stoppen bij een van Oosterkamps machines die tijdelijk buiten gebruik is vanwege gedane aanpassingen. Deels ontmanteld is de machinerie van de superkoelkast zichtbaar. Aan de stevige metalen constructie – die voor het absorberen van zoveel mogelijk trillingen een eigen fundering heeft – hangt een soort omgekeerde metalen toren. De ronde vergulde verdiepingen worden steeds iets kleiner naar onder toe, daartussen zit een wirwar van kabels, slangetjes en apparaatjes. Hoe dieper je ‘afzakt’ in de toren des te lager de temperatuur tijdens de experimenten.

Supermicroscoop

De superkoelkasten in Leiden zijn eigenlijk supermicroscopen, voor minutieus onderzoek naar materiaaleigenschappen. “We doen metingen die bij kamertemperatuur minder goed gaan of helemaal niet mogelijk zijn”, zegt Oosterkamp. “Denk aan het in kaart brengen van de structuur van materialen op atomair niveau. Of het gedrag van elektronen in een materiaal. Dit soort precisiemetingen worden doorgaans gehinderd door trillingen in het systeem.”

In tegenstelling tot een optische microscoop, die je misschien kent van de middelbare school, kunnen Oosterkamp en collega’s met hun machine niet alleen zien wat er op het oppervlak van een materiaal gebeurt, maar ook daaronder. “Daarvoor combineren we verschillende microscopische technieken in één apparaat”, zegt Oosterhuis. De machine is eigenlijk een kruising van een zogenoemde AFM-microscoop, die extreem uitvergrootte beelden van een oppervlak maakt door het met een fijne naald af te tasten, en een MRI-scanner, die in de wetenschap en medische wereld wordt gebruikt om beelden te vormen van wat er in een materiaal of (levend) weefsel gebeurt.

Het combineren van die twee technieken is geen sinecure. Oosterkamp legt uit: “Een MRI-scanner werkt normaal gesproken door een sterk magneetveld dat door het gehele weefsel gaat en wordt opgewekt en gemeten door grote spoelen. Wij gebruiken daarentegen en minuscuul magneetje. Een bolletje kleiner dan een micrometer (een miljoenste van een meter – red.) dat we aan een dunne ‘hengel’ binnen 10 tot 100 nanometer (een miljardste van een meter – red.) van een oppervlak brengen. We meten vervolgens de extreem fijne krachten die het magneetje ervaart door een interactie met het materiaal. Door de kleine afmeting halen we een enorm hoge resolutie.”

“Er is geen beschrijving van hoe groot een systeem moet zijn voordat het zich ‘klassiek’ gaat dragen”, zegt Oosterkamp. “Neem een klassieke stroommeter, die zal altijd één waarde aangeven. Wij kunnen in het lab echter zulke kleine sensors bouwen dat ze zich ‘quantum’ gaan gedragen en in feite meerdere waarden tegelijk aannemen!”

Dat is niet bepaald nuttig en vooral erg bizar. Maar zo’n systeem stelt Oosterkamp wél in staat interessante experimenten te doen. “We kunnen dat quantumgedrag aantonen door de stroommeter te laten reageren met een andere vergelijkbaar kleine stroommeter”, zegt hij. “De crux is nu het herhalen van dit experiment met steeds grotere systemen en kijken wanneer ze zich klassiek gaat gedragen.”

De wetten van de quantummechanica zijn vaag, evenals de grenzen ervan. Oosterkamp hoopt er in ieder geval iets over te leren met de experimenten die hij nu aan het opzetten is. En gezien het feit dat quantumsystemen extreem gevoelig zijn voor verstoringen, lijkt de diepe kou van het Leidse lab de perfecte plek om daarachter te komen.