Van vloeibaar helium tot quantummaterialen: natuurkunde in Leiden, toen en nu
NATUURKUNDE
Ter gelegenheid van het 450-jarig bestaan van de Universiteit Leiden brengt deze tentoonstelling historische foto’s samen met hedendaags onderzoek. Zeven ‘Toen & Nu’-tweeluiken laten zien hoe het Instituut voor Natuurkunde een rijke geschiedenis combineert met baanbrekende wetenschap.
Hieronder staat een beschrijving bij elk van de foto's (tweeluiken).
___________________________________________
Rond 1913: Het eerste vloeibare helium – de doorbraak van Kamerlingh Onnes
Natuurkundige Heike Kamerlingh Onnes (zittend in het midden) gebruikte deze opstelling om helium voor het eerst vloeibaar te maken, bij extreem lage temperaturen. Hiervoor ontving hij in 1913 de Nobelprijs.
Deze foto laat zien dat uitzonderlijke resultaten echt teamwerk zijn: een unieke samenwerking tussen onderzoekers, instrumentmakers, natuurkundestudenten (met stropdas) en studenten van de LiS (helemaal links). Zij werkten zij aan zij in de laboratoria.
Nu: Onderzoek naar quantummaterialen
Leidse natuurkundigen Semonti Bhattacharyya en Sense Jan van der Molen gebruiken instrumenten zoals deze lage-energie-elektronenmicroscoop (LEEM) om de bijzondere elektronische eigenschappen van ‘van der Waals-materialen’ en ultradunne moleculaire lagen te bestuderen. Net als in 1913 leiden zij studenten en promovendi op en werken zij nauw samen met instrumentmakers zoals Christiaan Pen van de afdeling Fijnmechanica.
___________________________________________
Toen: Kamerlingh Onnes en de instrumentmakers
Vóór 1880 bouwden natuurkundigen hun eigen meetinstrumenten. Volgens Kamerlingh Onnes kon onderzoek zo niet effectief vooruitkomen. In 1882, toen hij werd benoemd tot hoogleraar Experimentele Natuurkunde, haalde hij al snel technisch vaardige vakmensen uit het buitenland. Hij vroeg hen om getalenteerde jongeren in Leiden op te leiden tot deskundige instrumentmakers.
Omdat hij inzag dat zijn onderzoek sterk profiteerde van samenwerking in een multidisciplinair team, leidde dit initiatief uiteindelijk tot de oprichting van de Leidse Instrumentmakers School in 1901.
Nu: Leidse Instrumentmakers School (LiS)
LiS-studenten leren (onderzoeks)instrumenten te ontwerpen, maken, verbeteren en produceren.
De opleiding omvat training in metaalbewerking, mechatronica en 3D-printen, en biedt mogelijkheden om zich te specialiseren in glasbewerking. LiS biedt zelfs maatwerkprogramma’s op alle niveaus onder de naam ‘LiS voor Werkenden’.
De school en het Leids Instituut voor Natuurkunde hebben nog steeds een hechte band.
___________________________________________
1944: Het bijvullen van een heliumcryostaat
Het natuurkundig laboratorium in Leiden werd in 1908 de ‘koudste plek op aarde’. Onder leiding van Heike Kamerlingh Onnes werd daar voor het eerst helium vloeibaar gemaakt. Drie jaar later werd kwik het eerste metaal dat werd afgekoeld tot de supergeleidende toestand bij 4 Kelvin. Tegenwoordig maakt supergeleiding veel elektrische technologieën mogelijk, waaronder MRI-scanners en deeltjesversnellers.
Nu: Onderzoek naar supergeleiding
Elke week vult promovendus Amber Mozes deze scanning tunneling microscoop (DT-STM) bij met vloeibare stikstof en vloeibaar helium om onderzoek te doen naar de eigenschappen van supergeleiders op nanoschaal.
Wilfred van der Geest is technisch projectmedewerker bij het Leids Instituut voor Natuurkunde. Hij beheert in zijn eentje de cryogene afdeling. ‘Mijn uitdaging is ervoor te zorgen dat onderzoekers altijd en overal vloeibaar helium tot hun beschikking hebben. Ik ben er trots op dat ik nog nooit een onderzoeksopstelling heb moeten stilleggen.’
___________________________________________
1934: Theoretische natuurkunde
Hendrik Anthony Kramers (1894–1952) volgde in 1934 Ehrenfest op als hoogleraar Theoretische Natuurkunde. Zijn naam wordt vaak vergeleken met die van Hendrik Antoon Lorentz, die Ehrenfest twintig jaar eerder opvolgde. Kramers was zeer sterk in de wiskunde en succesvol; drie vergelijkingen dragen zijn naam en worden wereldwijd door natuurkundigen gebruikt. Deze foto is genomen in de Lorentzzaal van het Kamerlingh Onnesgebouw.
Nu: Het verkennen van de bouwstenen van het universum
Koenraad Schalm is een van de zeven hoogleraren Theoretische Natuurkunde aan het Instituut Lorentz. Net als Kramers geeft hij wiskundige verklaringen voor waargenomen natuurkundige verschijnselen. Schalm richt zich op het identificeren van kenmerken van de snaartheorie.
Hij gebruikt gegevens uit waarnemingen van het heelal en experimenten met deeltjesversnellers en nieuwe exotische materialen om theorie en experiment met elkaar te verbinden en zo de diepste mysteries van de natuurkunde te onderzoeken. De vergelijking in het zwart is een deel van de Kramers-Kronig-relatie, onafhankelijk geformuleerd door Kramers en Kronig in de jaren 1920.
___________________________________________
Rond 1898: De instrumentmakers
Als natuurkundige ging je voor je experimenten naar een instrumentmaker. Omdat zij blauwe werkkleding droegen, kregen ze de bijnaam ‘de Leidse Blauwe Jongens’. Rond 1898 werd Kamerlingh Onnes ondersteund door een kleine maar zeer vaardige groep instrumentmakers en glasblazers, waaronder de jonge Gerrit Flim, die uitgroeide tot een van zijn belangrijkste technische medewerkers.
Nu: De afdeling Fijnmechanica en Elektronica
Natuurkundigen werken nog steeds nauw samen met instrumentmakers om hun onderzoeksopstellingen te ontwerpen en te perfectioneren. Metingen vinden vaak plaats onder zeer specifieke omstandigheden, bijvoorbeeld nauwkeuriger dan ooit tevoren, in een vacuüm of bij temperaturen dicht bij het absolute nulpunt. Onderdelen die niet te koop zijn, worden ontworpen en geproduceerd in de moderne werkplaats van de Universiteit Leiden.
___________________________________________
1902: Leidse optica krijgt Nobelprijs
In 1896 ontdekte Pieter Zeeman dat een magnetisch veld de kleur van uitgezonden licht subtiel verandert. Dit effect, nu het Zeemaneffect genoemd, bevestigde de theorie van Hendrik Lorentz over elektronen en atoomstructuur. In 1902 ontvingen zij de Nobelprijs voor Natuurkunde voor deze baanbrekende resultaten.
Zoals te zien is op deze foto van rond 1940 droegen onderzoekers in het optisch laboratorium labjassen en overalls. Door een combinatie van lenzen, polarisatoren en een monster op een rail vast te zetten, manipuleerden en vormden zij één lichtbundel.
Nu: Op weg naar een optische quantumcomputer
Tegenwoordig beslaan optische experimenten een hele tafel. In dit experiment vangen kleine spiegels licht van individuele atomen, waardoor we het met enorme precisie kunnen sturen. Het Leidse onderzoeksteam is mogelijk het eerste dat dit proces volledig begrijpt.
De waargenomen ruimtelijke en polarisatiestructuur van het gevangen licht bevestigt subtiele effecten die zijn voorspeld door de elektromagnetische theorie van James Clerk Maxwell. Door afzonderlijke atomen zo te beheersen, zetten we de eerste stappen naar een optische quantumcomputer – een technologie die de toekomst van computers kan veranderen.
___________________________________________
1944: Vormen, frezen en draaien
Deze machine is een schaafmachine voor metaalbewerking, gebruikt door instrumentmakers om uiterst vlakke metalen oppervlakken in één richting te produceren. Dit waren de belangrijkste machines voor precisiewerk voordat freesmachines algemeen werden.
Nu: Complexe 3D-vormen met nanoschaalprecisie
Tegenwoordig worden freesmachines computergestuurd en kunnen zij zeer complexe 3D-vormen maken met micrometerprecisie. Instrumentmakers werken met uiteenlopende materialen zoals metalen, keramiek en elektronische componenten om op maat gemaakte onderzoeksinstrumenten te bouwen met nanoschaalprecisie.
Samen met onderzoekers uit de hele Faculteit der Wiskunde en Natuurwetenschappen vertalen zij wetenschappelijke ideeën naar instrumenten die baanbrekend onderzoek mogelijk maken.