Nieuwe quantumcomputers of geleidende materialen die geen energie verliezen – dankzij een samenwerkingsproject van Nijmeegse en New Yorkse onderzoekers liggen mogelijk talloze revolutionaire ontwikkelingen in het verschiet. De crux: moleculen verder afkoelen dan ooit iemand heeft gedaan. 'Dit is nog compleet onontgonnen terrein.'

De koudste plek van misschien wel onze hele planeet bevindt zich achter een schuifdeur op de negende verdieping van het natuurkundegebouw op Columbia University. Het is een glimmende, metalen voetbal. Uit zes kanten steken cilinders; in sommige zitten dunne snoeren, andere zijn juist weer dikke buizen van een halve tot een hele meter lang.

Om precies te zijn: binnenin is het slechts één miljardste graad boven het absolute nulpunt van 273,15 graden onder nul. Dat is bijna 300 graden kouder dan de rest van dit natuurkundelab en de campus in New York, waar de Indian summer het juist aangenaam warm maakt deze oktoberochtend.

‘Volgens mijn astronomiecollega’s is het in de ruimte tussen sterrenstelsels nog warmer’

De bol is zo koud van binnen omdat hij nagenoeg vacuüm is en de paar duizend moleculen die er nog wel in zitten zo goed als stilstaan, legt onderzoeksleider Sebastian Will uit. De natuurkundige wijst naar de meterlange buis die in de bol steekt. ‘Daarin worden natriumatomen afgeremd van 1000 kilometer per uur tot stilstand.’ Dat maakt ze ijskoud. ‘Volgens mijn astronomiecollega’s is het in de ruimte tussen sterrenstelsels nog warmer.’

En dat is precies de bedoeling. Will onderzoekt de eigenschappen van moleculen bij zulke extreem lage temperaturen. Wetenschappelijk razend interessant, omdat onder deze extreme omstandigheden de quantummechanica het gedrag van deeltjes bepaalt – waarover zo meteen meer.

Nobelprijswinnaars

Columbia University is dé plek voor dit soort onderzoek. Loop de hal van het natuurkundegebouw binnen, en je wordt intimiderend aangestaard door de portretten van meer dan tien Nobelprijswinnaars die het instituut al heeft voortgebracht – van Enrico Fermi in 1938 tot John Clauser in 2022. Letterlijk een hall of fame dus.

Om de ‘koudste molecuulvriezer op aarde’ te maken, werkt Will nauw samen met Radboud-onderzoeker Tijs Karman, Universitair Docent bij het Institute for Molecules and Materials. Karman bedenkt nieuwe theoretische manieren om de moleculen extreem te kunnen afkoelen, Will transformeert die weer in unieke apparatuur die hij gebruikt bij de experimenten – samen met een team postdocs en masterstudenten.

Als postdoc op Harvard leerde Karman Will kennen, vertelt hij een paar dagen later op zijn Nijmeegse werkkamer, en raakte gefascineerd door koude moleculen. ‘Wat er dan op quantumgebied gebeurt is namelijk nog grotendeels onbekend, maar tegelijkertijd veelbelovend.’

Aan welke veelbelovende toepassingen we dan moeten denken? Bijvoorbeeld aan een nieuw type quantumcomputer, waar je de quantumeigenschappen van de moleculen kunt aanpassen zodat ze als enen en nullen kunnen fungeren in razendsnelle rekensommen. Of aan een nieuwe manier om het gedrag van elektronen in bepaalde materialen te simuleren. Karman: ‘Zo kunnen we misschien beter begrijpen hoe supergeleiding bij hogere temperaturen werkt.’

Cruciaal hiervoor is het maken van een zogeheten Bose-Einstein-condensaat van moleculen, een bijzondere materietoestand voorspeld door de quantummechanica (zie kader). Als eersten ter wereld kregen Will en Karman dit voor elkaar bij een natrium-cesiummolecuul, nu drie jaar geleden. Dat lukte dankzij de extreem lage temperaturen in de high-techopstelling hier in het New Yorkse lab.

Huzarenstukje

‘Natuurlijk weet ik nog precies wanneer dat was!’, zegt Will desgevraagd, en begint te scrollen door de fotobibliotheek op zijn iPhone. Enthousiast: ‘Kijk, hier, het was op 2 oktober 2023 om half negen ’s avonds.’ Hij laat een foto zien waarop hij en collega-onderzoekers met lachende gezichten naar een grafiekje op een labcomputer kijken.

Die prestatie was namelijk niet minder dan een huzarenstukje. Zo’n condensaat maken lukte op zich in de jaren 90 al, maar dat ging om atomen (en leverde de betrokken onderzoekers een Nobelprijs op). ‘Atomen zijn echter relatief simpel’, zegt Will. ‘Moleculen hebben veel interessantere eigenschappen, onder meer omdat ze elkaar op een veel grotere afstand kunnen beïnvloeden, via elektrische krachten, een beetje vergelijkbaar met magneten. Hoe pakt dat uit onder quantumomstandigheden?’

Moleculen tot stilstand brengen is echter andere koek. In tegenstelling tot atomen zijn moleculen geneigd om aan elkaar te gaan plakken. Will: ‘Maar als ze tegen elkaar botsen raak je ze kwijt’. De oplossing hiervoor kwam uit Nijmegen. Karman bedacht een manier om met microgolven (bekend van de keukenmagnetron) moleculen zo te draaien dat ze elkaar afstoten, zodat er minder botsingen plaatsvinden.

Verdraaid lensje

Dat klinkt simpeler dan het is. In het lab op Columbia is de metalen vacuümbol omringd door honderden spiegeltjes en lenzen. Die zijn nodig omdat eerst een laser exact op de juiste manier de natrium- en cesiumatomen moet vertragen, waarna ze fuseren tot moleculen. Karmans ‘magnetrongolven’ zorgen ervoor dat de moleculen niet op elkaar botsen.

De apparatuur staat, precies afgesteld, vastgeschroefd op verschillende plateaus boven en onder de bol. Het ziet er een beetje uit alsof je onder de motorkap van een Formule 1-auto kijkt. Kunnen de onderzoekers zelf wel wijs uit de wirwar van draden, buizen en lenzen? Will lacht. ‘Alles komt inderdaad extreem nauw. Als het experiment niet werkt, kan dat bij wijze van spreken aan een miljoen dingen liggen. Bijvoorbeeld omdat een lens een beetje verdraaid blijkt, omdat het schroefje waarmee het vastzit uitgezet is vanwege een iets hogere temperatuur.’ Precies om die reden is er ook een gevoelige klimaat- en temperatuurbewaking in het lab en achter de schuifdeuren van de apparatuur.

De intensieve samenwerking met theoreticus Karman – ze overleggen wekelijks – zorgt daarnaast voor snelle en praktische oplossingen, zeggen beiden. Karman: ‘Ik had bijvoorbeeld eerst een statisch elektrisch veld voorgesteld, maar toen zei Sebastian: mogen dat ook oscillerende (trillende, red.) golven zijn, want dat kunnen we technisch veel makkelijker voor elkaar krijgen. Nou, dan sla je daar weer mee aan het rekenen en vervolgens bleek dat ook te kunnen werken.’

Al die high-tech legt de onderzoekers geen windeieren. Sinds het Eurekamoment op 2 oktober 2023 volgt de ene baanbrekende ontdekking na de andere, met bijbehorende toppublicaties in wetenschappelijke bladen als Nature, Science en Physical Review Letters. Die beschrijven onder meer hoe Will en Karman quantumvloeistoffen maakten van de extreem koude moleculen. Maar ook hoe ze individuele moleculen kunnen oppakken en verplaatsen in een rooster, als eieren in een eierdoos.

Quantumcomputer

Waarom zou je je carrière wijden aan zo’n complexe en tevens enigszins obscure tak van de natuurkunde? Karman: ‘Ik vind zelf enerzijds de fundamentele kant van ons project interessant: hoe kunnen we de interacties tussen moleculen nauwkeurig controleren? En anderzijds zijn de mogelijke toepassingen voor quantumtechnologie heel spannend.’

‘Wat ik inspirerend vind, is dat we in een vergelijkbare situatie zitten als de Nederlandse Nobelprijswinnaar Kamerlingh Onnes begin twintigste eeuw’

Will vult aan: ‘Wat ik inspirerend vind, is dat we in een vergelijkbare situatie zitten als de Nederlandse Nobelprijswinnaar Kamerlingh Onnes begin twintigste eeuw, toen hij helium afkoelde tot anderhalve graad boven het absolute nulpunt.’ Metalen die hij vervolgens met dit vloeibare helium afkoelde, begonnen zich toen plots heel anders te gedragen. ‘Ze verloren hun elektrische weerstand en werden supergeleidend.’ Dat vormde weer de basis voor nieuwe apparaten zoals MRI-scanners.

Tot welke revolutionaire toepassingen fundamenteel onderzoek uiteindelijk kan leiden, weet je nooit, wil de natuurkundige maar zeggen. Karman: ‘Dit is nog compleet onontgonnen terrein.’