Universiteit Leiden

nl en
Irene Battisti

De meest stabiele microscoop ter wereld

De meest trillingvrije, cryogene ‘scanning tunneling’ microscoop ter wereld maken. Een gedurfde missie, die promovendus Irene Battisti met succes heeft uitgevoerd samen met de Fijn Mechanische Dienst. De nieuwe microscoop kan mogelijk nieuw licht werpen op hoe onconventionele supergeleiding precies werkt. Verdediging op 8 mei.

Irene Battisti (©) monteert de kern van saffier

Meten in de buurt van het absolute nulpunt

Een scanning tunneling microscoop (STM) is uiterst gevoelig. Een meetnaald, waarvan het uiteinde atomair scherp is, wordt op een afstand van slechts een paar angstrom gebracht van het monster – slechts een paar tienden van een nanometer. Dat is grofweg de diameter van een atoom, dus de trillingen tussen de meetnaald en het monster moeten miniem zijn. Ter referentie: de top van de Mount Everest zou minder mogen trillen dan de grootte van een bacterie. Maar dat is nog niet alles. Battisti had als doel een cryogene microscoop te maken, met een temperatuur van ongeveer 4 Kelvin – bijna het absolute nulpunt. Deze ultra-lage temperaturen zijn noodzakelijk bij spectroscopie, om zo de elektrische eigenschappen van materialen tot op atomaire schaal te kunnen visualiseren. ‘Dit bemoeilijkt de zaken enorm, omdat de mechanica van gewone STM’s niet geschikt is voor zulke lage temperaturen', legt Battisti uit. Daarom moest ze met saffier werken. ‘Dit materiaal is niet alleen duur, maar door zijn hardheid ook erg moeilijk te bewerken', zegt ze. 

Een schematische weergave van de opstelling

Een van de meest trillingvrij plekken ter wereld

Maar met alleen stijve materialen ben je er nog niet; de plek waar de microscoop staat moet ook geschikt zijn. Gelukkig is de Meethal in het Gorlaeus Gebouw ontworpen om trillingen te isoleren. Volgens de architect is het een van de meest trillingvrije plekken ter wereld. Dit wordt bereikt door een aparte fundering, waarop een betonnen 'eiland' van 30 ton is opgehangen met behulp van springveren, waarop een met lood gevulde tafel is geplaatst op een tweede set veren. Combineer dit met een uniek ontwerp van de microscoop en je hebt de meest stabiele cryogene STM ter wereld.

Een van de betonnen eilanden van de Meethal

De Fijn Mechanische Dienst is essentieel

Maar waarom is dit eigenlijk niet eerder gedaan? ‘Pas sinds kort is de technologie ver genoeg gevorderd om deze microscoop te kunnen bouwen. Maar nog belangrijker is dat de Fijn Mechanische Dienst (FMD) over cruciale kennis en vaardigheden beschikt, die vrij uniek zijn in de wereld.’ Battisti werkte nauw samen met Kees van Oosten en Gijsbert Verdoes van de FMD. Ze benadrukt dat het een echte teamprestatie is. ‘Zo zijn ze bijvoorbeeld echt onderdeel van onze onderzoeksgroep. En dat we in hetzelfde gebouw zitten was erg handig en heeft onze samenwerking sterk verbeterd’, zegt Battisti.

Irene Battisti en Kees van Oosten bij de STM

Het bestuderen van een mysterie

De groep van Milan Allan, waar Battisti onderdeel van uitmaakt, bestudeert zogeheten quantummaterialen. Daaronder vallen ook hoge-temperatuur supergeleiders. ‘Normaal gesproken worden materialen supergeleidend onder de 4 Kelvin’, legt Battisti uit. ‘Hiervoor heb je vloeibare helium nodig, dat erg duur is. Maar sommige materialen worden supergeleidend tussen de 100-150 Kelvin, waarvoor je het veel gangbaardere vloeibare stikstof kunt gebruiken.’ Het blijft alleen een mysterie hoe deze hoge-temperatuur supergeleiders precies werken, waardoor het moeilijk is om ze in de praktijk toe te passen. ‘Sinds ik ben begonnen met promoveren hebben we samen met onze collega's van het Instituut-Lorentz hard gewerkt om dit mysterie te begrijpen. Met deze nieuwe STM hoop ik een aantal belangrijke stukjes aan de puzzel toe te voegen.’ 

Golven gebruiken om het materiaal te begrijpen

‘We weten dat golven elkaar kunnen verstoren', zegt Battisti. ‘En door het interferentiepatroon van golven te bestuderen, kunnen we meer te weten komen over de eigenschappen van de golf. Vanuit de quantummechanica weten we dat we elektronen niet alleen kunnen beschouwen als deeltjes, maar ook als golven: de golf-deeltjesdualiteit. De experimenten die wij willen doen, richten zich op deze golfachtige eigenschappen van elektronen. Met onze nieuwe STM kunnen we de interferentie tussen verschillende elektronengolven op het oppervlak van het materiaal visualiseren. Uit deze patronen kunnen we dan eigenschappen van de elektronen zelf halen, en daarmee eigenschappen van het materiaal.’ 

Tekst: Bryce Benda
Header: Interferentie van elektronengolven op het oppervlak van een materiaal, gemeten met de scanning tunneling microscoop. De golven vormen zich wanneer elektronen van defecten op het oppervlak afkaatsen, die zichtbaar zijn als helderdere stukken in het beeld.

Deze website maakt gebruik van cookies. Meer informatie