Nanofysici steken Nasa naar de kroon

In 2007 gaat de Herschel Space Observatory pas de ruimte in, maar nu al zijn onderzoekers druk in de weer om hun uitvindingen mee naar boven te krijgen. Zo ook ir. Merlijn Hajenius en zijn begeleider, dr. Jianrong Gao, onderzoekers van de sectie nanofysica (TNW) en verbonden aan het Space Research Organisation of the Netherlands (Sron) in Groningen. Zij hebben een heel gevoelige detector ontwikkeld voor het opvangen van straling met terahertzfrequenties. Terahertzstraling is licht dat ook wel infrarood licht genoemd wordt. Met deze detectoren kan het onbekende ‘ver-infrarood’ golflengtegebied in kaart worden gebracht. Hiermee hopen onderzoekers meer te achterhalen van de eerste, meest verre sterren en sterrenstelsels.

Maar ook dichter bij huis kan de detector aan de gang: in 2005 gaat de detector mee met Telis, een instrument op een luchtballon dat vanaf veertig kilometer hoogte de atmosfeer zal scannen op ozon en broeikasgassen.

Simpel gezegd bestaat de detector uit een supergeleidend brugje van niobium nitride tussen twee gouden contactjes, en een antennetje dat de straling opvangt. ,,Door het opvangen van de straling wordt het brugje iets warmer, waardoor het wat van zijn supergeleidendheid verliest. Dat kleine extra spanningsverschil meten we”, legt Hajenius uit.

De contactjes, die het signaal naar de detector voeren, bezorgden de onderzoekers veel hoofdpijn. ,,Er was aanvankelijk extra weerstand die we niet begrepen. Waar kwam die vandaan? Wat was de rol van de contactjes? Het heeft me aardig wat nachtrust gekost”, vertelt Hajenius. Na wat brainstormsessies maakte en analyseerde Hajenius talloze detectoren. Dit leidde tot schonere contactjes die op een soort kleedje van supergeleidend materiaal kwamen te liggen . Bij het Groningse Sron, dat over infraroodstralingsbronnen beschikt, werd de detector getest.
Pinknagel

In het laboratorium aan de Lorentzweg laten Gao en Hajenius de detector zien. Hij zit in een gouden vierkantje, niet groter dan de pinknagel van een baby. Alleen met een elektronenmicroscoop kan de detector – van ongeveer driehonderd nanometer bij twee micrometer – gezien worden. In grote vaten met vloeibaar helium in de hoek van het lab, worden de detectoren op de juiste temperatuur gebracht. Dat is nodig om ze supergeleidend te maken. ,,De detector is anderhalf keer gevoeliger en sneller dan de beste andere detectoren op dit gebied. Op die performance zijn we trots”, vertelt Gao.

Intussen is een wetenschappelijke artikel over de detector geaccepteerd door het wetenschappelijke tijdschrift Applied Physics Letters. ,,Nu onze vinding bekend is, blijkt dat andere groepen die ook met deze materie bezig zijn dezelfde problemen hadden” zegtHajenius. ,,Maar ja, dat je de weerstand van je device niet snapt, dat ga je natuurlijk niet aan de grote klok hangen.”

Hajenius en Gao hopen dat hun detector in 2007 met de Herschel mee kan. Hajenius: ,,Tot nu toe ging de eer altijd naar het Jet propulsion laboratory van Nasa. Maar met deze detector kunnen we ze gerust naar de kroon steken.”

De volgende stap in Hajenius’ onderzoek is goed beschrijven wat de onderzoekers nu eigenlijk hebben gemeten. ,,Niet dat we er helemaal niets van snappen, maar we moeten het wel beter proberen te begrijpen.” ,,We hebben nu een voorsprong op dit onderzoeksgebied, en die willen we vasthouden”, vult Gao aan.

Verder is Hajenius benieuwd wat er allemaal te zien is met de terahertzdetector. ,,Het is een onontgonnen maar interessant frequentiegebied in de astronomie. Wie weet wat voor onverwachts we te zien krijgen%”
. .

In 2007 gaat de Herschel Space Observatory pas de ruimte in, maar nu al zijn onderzoekers druk in de weer om hun uitvindingen mee naar boven te krijgen. Zo ook ir. Merlijn Hajenius en zijn begeleider, dr. Jianrong Gao, onderzoekers van de sectie nanofysica (TNW) en verbonden aan het Space Research Organisation of the Netherlands (Sron) in Groningen. Zij hebben een heel gevoelige detector ontwikkeld voor het opvangen van straling met terahertzfrequenties. Terahertzstraling is licht dat ook wel infrarood licht genoemd wordt. Met deze detectoren kan het onbekende ‘ver-infrarood’ golflengtegebied in kaart worden gebracht. Hiermee hopen onderzoekers meer te achterhalen van de eerste, meest verre sterren en sterrenstelsels.

Maar ook dichter bij huis kan de detector aan de gang: in 2005 gaat de detector mee met Telis, een instrument op een luchtballon dat vanaf veertig kilometer hoogte de atmosfeer zal scannen op ozon en broeikasgassen.

Simpel gezegd bestaat de detector uit een supergeleidend brugje van niobium nitride tussen twee gouden contactjes, en een antennetje dat de straling opvangt. ,,Door het opvangen van de straling wordt het brugje iets warmer, waardoor het wat van zijn supergeleidendheid verliest. Dat kleine extra spanningsverschil meten we”, legt Hajenius uit.

De contactjes, die het signaal naar de detector voeren, bezorgden de onderzoekers veel hoofdpijn. ,,Er was aanvankelijk extra weerstand die we niet begrepen. Waar kwam die vandaan? Wat was de rol van de contactjes? Het heeft me aardig wat nachtrust gekost”, vertelt Hajenius. Na wat brainstormsessies maakte en analyseerde Hajenius talloze detectoren. Dit leidde tot schonere contactjes die op een soort kleedje van supergeleidend materiaal kwamen te liggen . Bij het Groningse Sron, dat over infraroodstralingsbronnen beschikt, werd de detector getest.
Pinknagel

In het laboratorium aan de Lorentzweg laten Gao en Hajenius de detector zien. Hij zit in een gouden vierkantje, niet groter dan de pinknagel van een baby. Alleen met een elektronenmicroscoop kan de detector – van ongeveer driehonderd nanometer bij twee micrometer – gezien worden. In grote vaten met vloeibaar helium in de hoek van het lab, worden de detectoren op de juiste temperatuur gebracht. Dat is nodig om ze supergeleidend te maken. ,,De detector is anderhalf keer gevoeliger en sneller dan de beste andere detectoren op dit gebied. Op die performance zijn we trots”, vertelt Gao.

Intussen is een wetenschappelijke artikel over de detector geaccepteerd door het wetenschappelijke tijdschrift Applied Physics Letters. ,,Nu onze vinding bekend is, blijkt dat andere groepen die ook met deze materie bezig zijn dezelfde problemen hadden” zegtHajenius. ,,Maar ja, dat je de weerstand van je device niet snapt, dat ga je natuurlijk niet aan de grote klok hangen.”

Hajenius en Gao hopen dat hun detector in 2007 met de Herschel mee kan. Hajenius: ,,Tot nu toe ging de eer altijd naar het Jet propulsion laboratory van Nasa. Maar met deze detector kunnen we ze gerust naar de kroon steken.”

De volgende stap in Hajenius’ onderzoek is goed beschrijven wat de onderzoekers nu eigenlijk hebben gemeten. ,,Niet dat we er helemaal niets van snappen, maar we moeten het wel beter proberen te begrijpen.” ,,We hebben nu een voorsprong op dit onderzoeksgebied, en die willen we vasthouden”, vult Gao aan.

Verder is Hajenius benieuwd wat er allemaal te zien is met de terahertzdetector. ,,Het is een onontgonnen maar interessant frequentiegebied in de astronomie. Wie weet wat voor onverwachts we te zien krijgen%”
. .