Snelle ultrakoude quantummicroscoop dankzij Leids liftsysteem
Natuurkundigen in Leiden en Delft, TNO en twee technologiebedrijven gaan een nieuwe quantummicroscoop bouwen, die werkt bij extreem lage temperaturen van 10 millikelvin. Zij doen dit met hulp van een onderzoeksfinanciering van 1,4 miljoen euro van de Nationale Wetenschapsagenda. Cruciaal voor de praktische bruikbaarheid is een nieuwe Leids lift-systeem om sneller samples uit te kunnen wisselen.
Leidse koude-expertise
De Universiteit Leiden heeft een lange traditie in natuurkundig onderzoek bij extreem lage temperaturen, te beginnen bij Heike Kamerlingh Onnes, die in 1908 supergeleiding ontdekte en in 1911 voor het eerst helium vloeibaar maakte.
De onderzoeksgroep van Tjerk Oosterkamp gaat deze Leidse koude-expertise nu inzetten om een nieuwe 'quantumspintastmicroscoop' te ontwikkelen. Dit doen ze in samenwerking met onderzoekers van penvoerder TU Delft, TNO en de bedrijven Applied Nanolayers en Leiden Spin Imaging. De speciale microscoop moet het magneetveld van samples op atoomschaal in kaart brengen bij temperaturen van 10 millikelvin.
Tastmicroscopen
Tastmicroscopen brengen een oppervlak van een materiaal in kaart door het op nanometerschaal af te tasten: boven het oppervlak beweegt voorzichtig en precies een naald-achtige sensor die de lokale eigenschappen van het oppervlak in kaart brengt.
In dit geval meet die sensor het plaatselijke magnetisch veld. De tip van de sensor bestaat uit diamant, ofwel een koolstofkristal, met daarin op één plekje een stikstof-atoom, een zogeheten Nitrogen-Vacancy-centrum (NV-center). Het stikstof-atoom heeft een overtollig elektron bij zich, dat functioneert als een quantumspin, ofwel een mini-magneetje.
Dat magneetje draait mee met het magneetveld ter plekke, afkomstig van het te onderzoeken materiaal en kan uitgelezen worden met pulsen van zichtbaar licht. ‘Zo kun je het hele sample scannen, en een kaart maken van het magnetische veld’, zegt Oosterkamp.
Quantumbits
De TU Delft, vertegenwoordigd door onderzoekers Tim Taminiau, Richard Norte en projectleider Toeno van der Sar,heeft uitgebreide ervaring met NV-centra. Deze fungeren ook als quantumbits in bepaalde quantum-computers die daar in aanbouw zijn.
Quantumspin-tastmicroscopen (scanning probe magnetometers) bestaan al wel, maar nog niet bij de zeer uitdagende temperaturen van 10 millikelvin. ‘Werken bij zulke temperaturen is bepaald niet eenvoudig, er is maar een heel klein beetje warmte nodig om de temperatuur te doen stijgen’, zegt Oosterkamp.
Zulke metingen vinden plaats binnen in een koelvat, een reeks in elkaar passende cilinders die de warmte buiten houden. Binnenin het koelvat bevindt zich een aantal verdiepingen, gescheiden door centimeterdikke, vergulde koperen platen. Iedere verdieping is kouder dan die erboven, dankzij koeling met vloeibaar helium. Op de onderste verdieping vinden de metingen plaats.
Liftsysteem
Oosterkamp wil pionieren met een nieuwe aanpak, waarbij je het monster van boven naar beneden inbrengt met een soort liftsysteem door alle verdiepingen heen. ‘Voorheen bracht je eerst je sample aan, en bouwde je daaromheen de koelinstallatie’, zegt Oosterkamp. Maar het bouwen en vooral het afkoelen van de hele installatie kan zo wel een week duren, waarna pas de metingen kunnen beginnen. Met het liftsysteem moet dat in enkele uren kunnen.
De technische uitdagingen zijn fors: in de ‘vloeren’ tussen de verdiepingen, de koperen platen, zijn gaten van 8 centimeter doorsnee nodig. Daarlangs kan de warmte gemakkelijk weer binnensijpelen. Dus moeten er afsluiters zijn die pas opengaan als de sample langskomt.
Voor het precieze ontwerp is een samenwerking opgezet met het spinoff-bedrijf Leiden Spin Imaging, gespecialiseerd in het bouwen van cryogene, trillingsvrije meetsystemen. Oosterkamp: ‘Bij dit soort opstellingen gaat het om uitgebreide en gespecialiseerde system engineering, dat doen we graag met gespecialiseerde bedrijven.’ Ook werken de onderzoekers samen met Applied Nanolayers in Nijmegen.
De 1,4 miljoen is niet alleen bedoeld voor het bouwen van het apparaat, maar ook voor het onderzoek. De financiering is voldoende voor drie promovendi, waarvan één in Leiden.
Exotische materialen
Als de quantummicroscoop werkt, kunnen er allerlei materialen mee onderzocht worden. Van kwaliteitscontroles voor halfgeleidermaterialen en nieuwe materialen voor data-opslag tot het bestuderen van supergeleiding of exotische nieuwe materialen als topologische geleiders, die erg in de belangstelling staan onder natuurkundigen.
In die laatste klasse materialen stromen de elektronen alleen in bepaalde dunne grensvlakken. ‘De theorie daarvan is inmiddels goed begrepen, maar je wilt natuurlijk ook meten hoe het dan in het echt gaat’, zegt Oosterkamp.
Zijn Leidse onderzoeksgroep heeft uitgebreide expertise in een vergelijkbaar type tastmicroscoop, een cryogene Magnetic Resonance Force Microscopy (MRFM). Dit is een verre verwant van de MRI-scanner die in ziekenhuizen het binnenste van patiënten in kaart brengt. ‘Onze groep is een van de wereldleiders op het gebied van MFRM-microscopie ’, zegt Oosterkamp, ‘maar dit wordt nieuw voor ons.’