Nieuwe superveer maakt uiterst stille experimenten mogelijk
NATUURKUNDE
Natuurkundigen en instrumentmakers hebben een veer ontwikkeld die trillingen bij temperaturen vlak boven het absolute nulpunt vrijwel volledig uitfilter. Deze doorbraak maakt een nieuwe generatie uiterst gevoelige experimenten mogelijk.
‘In dit project ontwikkelden we een heel speciale veer ontwikkeld die de storende trillingen in de opstelling terugbrengt tot 0,185 hertz. Dat is een enorme verbetering’, legt promovendus Louw Feenstra uit. Instrumentmakers Kees van Oosten en Hugo van Bohemen maakten het ontwerp voor de veer en bouwden het nieuwe instrument in hun werkplaats, in samenwerking met Feenstra en voormalig promovendus Tjerk Benschop.
Veel moderne natuurkundige experimenten zijn gebaseerd op extreem nauwkeurige metingen, bijvoorbeeld uitgevoerd in een cryostaat: een apparaat dat materialen afkoelt tot temperaturen die zo dicht mogelijk bij het absolute nulpunt liggen (0 kelvin, oftewel -273,15 graden Celsius). Maar cryostaten hebben een belangrijk nadeel. Hun koelsystemen veroorzaken sterke trillingen, vooral rond 1 hertz – ongeveer één trilling per seconde. En voor gevoelige experimenten kunnen die trillingen de meetresultaten flink verstoren.
Geïnspireerd door onderzoek naar zwaartekrachtsgolven
‘Ons ontwerp, een geometrische anti-veer, is geïnspireerd op technieken die worden gebruikt in onderzoek naar zwaartekrachtsgolven’, vertelt instrumentmaker Kees van Oosten. ‘Dankzij de samenwerking met Alberto Bertolini van Nikhef konden we snel van start. Ons systeem maakt gebruik van een speciale, uiterst ‘zachte’ ophanging die ook bij lage temperaturen werkt, zonder dat daarvoor een constructie nodig is die meerdere meters groot is.’
Precisiewerk op micrometerschaal
‘Het bouwen van dit instrument bleek een enorme technische uitdaging’, vertelt Van Bohemen. ‘Elke veer moest worden afgesteld met een nauwkeurigheid van slechts enkele tientallen micrometers. Tegelijkertijd moest het hele systeem betrouwbaar blijven functioneren bij extreem lage temperaturen.’‘
‘Dit project simpelweg niet mogelijk geweest zonder de combinatie van al de expertise van de instrumentmakers en de uitstekende samenwerking met de natuurkundigen’, zegt natuurkundige Milan Allan.
Aan de Universiteit Leiden bouwen wij de instrumenten om fundamenteel onderzoek te doen op het gebied van quantum & space. Al honderden jaren onderzoeken natuurkundigen de grote vraagstukken in ons universum en maken ze de instrumenten waarmee dit onderzoek mogelijk gemaakt wordt.
Op weg naar stillere experimenten
De onderzoekers zien veel mogelijke toepassingen voor hun nieuwe systeem: in uiterst stabiele microscopen, in quantumexperimenten en in toekomstige detectoren voor zwaartekrachtsgolven. Daarnaast zijn er nog volop mogelijkheden om het ontwerp verder te verbeteren. Het huidige systeem onderdrukt vooral trillingen in verticale richting. Toekomstige versies moeten ook trillingen in horizontale richting verminderen.
Maar voorlopig is de belangrijkste mijlpaal bereikt: het is aangetoond dat een geometrische anti-veer ook kan functioneren in een cryogene omgeving. Daarmee komt een nieuwe generatie vrijwel trillingvrije experimenten weer een stap dichterbij.
Dit artikel is geschreven naar aanleiding van de publicatie in het tijdschrift Measurement Science and Technology.
‘Cryogenic geometric anti-spring vibration isolation system’
L. Feenstra, S. Domínguez-Calderón, K. van Oosten, H.S.M. Bohemen, T. Benschop, M. Brinkman, M. Li, E. Hennes, R. Cornelissen, B.J. Hensen, A. Bertolini en M.P. Allan.