Een nieuwe microscoop voor het quantumtijdperk: nu zien we eindelijk hoe quantummaterialen zich gedragen
Leidse natuurkundigen en technici bouwden een microscoop die in één meting maar liefst vier belangrijke karakteristieken van een materiaal meet, en dat met nanoschaal-precisie. Deze microscoop kan zelfs complete quantumchips bekijken en brengt onderzoek en innovaties op het gebied van quantummaterialen in versnelling.
Warmte, magnetisme, structuur en elektrische eigenschappen. Dit zijn de materiaalkenmerken die deze nieuwe microscoop in beeld brengt. ‘Het voelt bijna alsof je een superkracht hebt’, vertelt Matthijs Rog, promovendus in de onderzoeksgroep van Kaveh Lahabi. ‘Je kijkt naar een preparaat en ziet niet alleen de vorm, maar ook de elektrische stromen, warmte en het magnetisme erin’.
Kaveh Lahabi, die de groep leidt: ‘Deze microscoop neemt de experimentele knelpunten weg die het onderzoek naar quantummaterialen lange tijd hebben beperkt. Dit is geen geïdealiseerde techniek – ze werkt op de systemen die we daadwerkelijk willen begrijpen. Bovendien maakt de gevoeligheid van onze metingen vaak veel indruk op mijn collega-fysici.’
Fundamentele vragen beantwoorden
Inzicht in de werking van quantummaterialen en -apparaten (zie kader) is cruciaal voor technologieën van de volgende generatie, zoals quantumcomputers en -sensoren. Momenteel is nog niet volledig begrepen hoe deze materialen functioneren, vanwege hun complexiteit. Omdat onze microscoop deze eigenschappen direct kan visualiseren, kan hij worden gebruikt om fundamentele vragen te beantwoorden en te leren hoe quantummaterialen effectief kunnen worden ingezet.
Quantummaterialen – hoe zit dat?
Quantummaterialen zijn materialen waarvan de eigenschappen alleen goed te begrijpen zijn met de quantummechanica. Een voorbeeld is een supergeleidend materiaal, dat stroom kan geleiden zonder weerstand. Normaal kun je kenmerken van quantum alleen waarnemen op een schaal van losse atomen en enkele nanometers, maar quantummaterialen gedragen zich al quantummechanisch op de millimeterschaal. Niemand weet waarom, omdat ze zo complex zijn. Er zitten miljarden deeltjes in het materiaal die zich allemaal ‘quantum’ gedragen. Geen formule of supercomputer kan daar tegenop. ‘Deze complexiteit is zeer moeilijk in een theorie te vatten, de enige optie is om in een experiment te kijken wat er gebeurt’, legt Rog uit. ‘Op de kleinste schalen komen veel dingen samen. Het is daarom erg fijn dat we deze microscoop kunnen gebruiken om zelf te kijken hoe deze materialen zich gedragen, en waarom ze doen wat ze doen.’
‘Het maakt niet uit welk quantummateriaal we de komende tijd onder deze microscoop leggen, ik weet zeker dat we er met onze microscoop nieuwe kennis in ontdekken’, voorspelt Rog. ‘Materialen zijn nog nooit op deze manier bekeken. Waar we tot een paar maanden geleden vooral experimenten deden om te bewijzen dat de microscoop werkt, gaan we nu aan de echte puzzels beginnen: materialen die we echt interessant vinden. We kunnen niet wachten.’
Van platte kristallen tot hobbelige quantumchips
Rog: ‘De microscopen die tot nu toe bestaan, werken op heel platte preparaten. Dat beperkt je onderzoek omdat heel veel van de interessante dingen gebeuren aan de randjes van materialen, of op de overgang tussen twee verschillende quantummaterialen. Voor onze microscoop is dat geen enkel probleem, we bekijken net zo gemakkelijk een hobbelige chip als een plat kristal.’
-
Het hijsen van de microscooptip boven de cryostaat waarin de metingen plaatsvinden -
Meetresultaten van de koper en kobalt nanodradenstructuur, gepresenteerd in vier grafieken -
Promovendi Matthijs Rog en Tycho Blom monteren de tip op de microscoop -
Close-up van de microscooptip die gemonteerd wordt
Ontworpen en gemaakt samen met instrumentmakers
Al sinds 2021 werkt Rog met Lahabi aan de constructie van deze nieuwe microscoop, die het team liefkozend ‘Tortilla’ noemt. De technische naam is ‘Tapping Mode SQUID-on-Tip’ (TM-SOT). De bouw werd gestart met onderdelen die ze vonden op de zolder van het universiteitsgebouw, aangevuld met enkele commerciële microscooponderdelen. Maar al snel ontdekten ze dat ze zulke specifieke eisen stelden aan hun constructie, dat er niets anders op zat dan (bijna) alle onderdelen zelf te ontwerpen en bouwen.
Rog en Lahabi schakelden de hulp in van Christiaan Pen en Peter van Veldhuizen, collega’s van de Fijn Mechanische Dienst en Elektronische Dienst. Samen hebben zij alle onderdelen van de microscoop ontworpen en gemaakt. Rog: ‘Elk kabeltje is door ons gesoldeerd en ieder schroefje hebben we zelf geplaatst. Dit project is het resultaat van een intensieve en vruchtbare samenwerking tussen veel verschillende wetenschappers, ingenieurs en technici. Microscopie-experts uit de groep van Milan Allan en de getalenteerde ingenieurs van QuantaMap hebben allemaal een essentiële rol gespeeld’.
Startup QuantaMap brengt de microscoop op de markt
Bij het bedrijf QuantaMap – gevestigd in House of Quantum Leiden en mede opgericht door Lahabi – staat inmiddels dezelfde microscoop. CEO Johannes Jobst legt uit: ‘Hier slaan we de brug naar toepassingen van de microscoop bij bedrijven. Quantumdiagnostiek is een goede markt: bedrijven die qubits, quantumchips of quantumcomputers maken, willen weten waarom een onderdeel niet werkt zoals je verwacht. Met deze microscoop kunnen ze dit ontdekken. Zo helpen we mee om de quantumrevolutie te versnellen.’
Lees de publicatie in Nano Letters.
Tapping-Mode SQUID-on-Tip Microscopy with Proximity Josephson Junctions
Matthijs Rog, Tycho J. Blom, Daan B. Boltje, Jimi D. de Haan, Remko Fermin, Jiasen Niu, Yasmin C. Doedes, Milan P. Allan, Kaveh Lahabi