Tjerk Oosterkamp ontfutselde de kwantumgeheimen van minuscule kleine pilaartjes waarin elektronen opgesloten zitten. Het onderzoek heeft tot veel belangrijke publicaties geleid.
Drie artikelen in het Amerikaanse Science, één artikel in het Britse Nature en vier in Physical Review Letters, het belangrijkste vaktijdschrift voor natuurkundig onderzoek. ,,Een mooie score voor een promotieonderzoek”, erkent Tjerk Oosterkamp die morgen promoveert op zijn onderzoek naar kunstmatige atomen en moleculen in quantum dots. Onderzoek dat hij verrichtte aan de subfaculteit Technische Natuurkunde, om preciezer te zijn bij Dimes, het Delftse instituut voor microelektronica en submicrontechnologie.
Oosterkamp: ,,Ik moet wel een beetje glunderen als ik aan al die artikelen denk. Het Nature-artikel vind ik het mooiste verhaal. Het moeilijkste experiment om te realiseren en daarom het leukste.”
Toch ziet de onderzoeker publiceren niet als een doel op zich. ,,Ik ben niet zo commercieel ingesteld. Ik vind het bijvoorbeeld veel moeilijker om aandacht aan de vorm te besteden dan aan de inhoud. Een artikel schrijven is eigenlijk een onpersoonlijk iets. Er is geen directe communicatie. Ik vind het leuker om mijn werk direct aan personen uit te leggen.”
Het onderzoek maakt gebruik van quantum dots om het gedrag van elektronen te bestuderen op kleine afstanden. Zo klein dat de kwantummechanica het gedrag van de elektronen bepaalt. Welke regels volgen de elektronen in de dot? Voelen de elektronen elkaars aanwezigheid en hoe uit zich dat? Oosterkamp vond de antwoorden en ontdekte dat de quantum dots perfecte systemen zijn waarin hij de theoretische modellen kon testen.
Quantum dots
De quantum dots (kwantumstippen) bestaan uit microscopisch kleine pilaartjes die in Japan gemaakt worden. In deze pilaartjes sluiten de onderzoekers elektronen op. Eén voor één kunnen ze de elektronen binnen laten waardoor het aantal elektronen in de dot altijd precies bekend is.
De analogie tussen echte atomen en quantum dots is groot. In atomen zitten elektronen vast aan de kern. De elektronen van een quantum dot zitten opgesloten in de pilaartjes en kunnen die niet verlaten. Bewegen elektronen in echte atomen zich banen rond de kern, in de dot bewegen de elektronen zich in platte cirkels. Het zijn als het ware platte atomen. Kunstmatig atomen door de mens gemaakt.
2 Twee gekoppelde quantum dots gedragen zich als een kunstmatig molecuul
Dat de elektronen cirkelvormige banen in de dot maken is een gevolg van de kwantummechanica die zegt dat het elektron een golfgedrag heeft. De kwantummechanica bepaalt verder dat niet alle cirkels mogelijk zijn. Slechts cirkels met bepaalde afmetingen. In vaktermen heet het dat een elektron in een bepaalde cirkel een bepaald energieniveau bezet. Overgangen tussen verschillende niveaus zijn wel mogelijk. In echte atomen kan een overgang van het ene naar het andere niveau zich uiten in het uitzenden van licht. Een voorbeeld is het gele licht dat de natriumlampen langs de snelwegen uitzenden.
Trompet
,,Mensen doen vaak zweverig over dat golfkarakter”, vertelt Oosterkamp. ,,Je kunt het ook als een gegeven van de natuur aanvaarden. De stap naar het bestaan van niveaus is dan niet zo moeilijk. In ons dagelijks leven zijn er veel voorbeelden dat bepaalde golven het beter doen dan andere.”
Vlak voor zijn promotie zal hij het publiek het bestaan van deze niveaus proberen duidelijk te maken met behulp van zijn trompet en een zes meter lang telefoonsnoer. ,,Met mijn lippen kan ik vele tonen blazen maar met de trompet erbij hoor je slechts enkele tonen, golven, heel goed. In de quantum dots is dat net zo. Er zijn vele golven mogelijk. Alleen sommige golven doen het heel goed en die vormen die cirkelvormige banen.”
Het zes meter lange telefoonsnoer zal aan één kant vast gemaakt worden. Door een zwiep aan het losse eind van het snoer te geven, ontstaat er een golfpatroon. Niet een willekeurig patroon. Sommige golven houden zich als het ware zelf in stand en het bewegende telefoonsnoer zal juist die golven zichtbaar maken. ,,De grondtoon verschijnt als je het snoer langzaam op en neer beweegt. Maar wanneer je het snoer steeds sneller op en neer zwiept, zullen de boventonen duidelijk te zien zijn.”
Interacties
In zijn proefschrift komen de kwantummechanische gedragsregels van de elektronen aan bod. Een hoofdstuk gaat over de interacties tussen de elektronen in een dot en laat zien dat er ook een periodiek systeem voor de platte atomen is. Een quantum dot met twee elektronen is vergelijkbaar met het heliumatoom dat ook twee elektronen heeft.
Door twee quantum dots dichtbij elkaar te brengen, bestudeerde Oosterkamp de interacties tussen elektronen in de twee dots. Hij ontdekte dat het duo zich als een kunstmatig molecuul gedraagt. Net zoals echte moleculen opgebouwd zijn uit individuele atomen.
De sterkte van de koppeling tussen de twee dots bepaalt waar de elektronen terecht komen en daarmee de aard van de moleculaire binding. Zo kunnen de elektronen zich mooi over de twee dots verdelen waardoor twee ionen gevormd worden. Een andere instelling van de koppelingssterkte zorgt ervoor dat de elektronen geen voorkeur hebben en zich razendsnel heen en weer tussen de twee dots blijven bewegen.
Ook bleek dat interacties met de omgeving een rol speelden. De metingen toonden de mogelijkheid van spontane overgangen tussen niveaus in de quantum dot. Deze overgangen zijn vergelijkbaar met de overgangen in echte atomen waarbij ze spontaan licht uitzenden. Quantum dots zenden echter geen licht uit maartrillingsgolven die zich voortbewegen in het materiaal waaruit de dots zijn gemaakt.
Het geheim van zijn succes ligt volgens Oosterkamp in zijn manier van meten. ,,Je moet je best doen om aan de quantum dots de gegevens te ontfutselen. De kunst is om die omstandigheden te creëren waardoor juist dat ene effect zichtbaar wordt. Hoe beter dat lukt, hoe makkelijker de interpretatie van de meting. Ik wil vooral een mooi experiment doen dat voor zich spreekt.”
Oosterkamp zegt ,,altijd veel plezier” in zijn werk gehad te hebben. ,,En belangrijk was ook het contact met alle technici. Mensen die hun vak verstaan waardoor je een beter experiment kunt doen. Ook was het persoonlijk contact met studenten en collega’s inspirerend. Samen meten is leuker dan alleen.”
Harvard
,,Mijn onderzoek zorgt vooral voor een beter begrip van het gedrag van elektronen in kleine structuurtjes”, vervolgt hij. ,,Er zijn geen directe toepassingen. Toch geloof ik dat de samenleving er wel iets aan heeft. Een beter begrip in gedragsregels van elektronen kan andere problemen oplossen. Problemen die ongetwijfeld zullen ontstaan als de bedrijven in de micro-elektronica nog veel kleinere transistoren gaan bouwen.”
De succesvolle promovendus zal zijn academische carrière voortzetten in Amerika aan de universiteit van Harvard. Als postdoctorale onderzoeker. Maar nu met het meten aan echte moleculen. ,,Mijn uiteindelijke doel is een molecuul te vinden dat als transistor kan dienen.”
,
Drie artikelen in het Amerikaanse Science, één artikel in het Britse Nature en vier in Physical Review Letters, het belangrijkste vaktijdschrift voor natuurkundig onderzoek. ,,Een mooie score voor een promotieonderzoek”, erkent Tjerk Oosterkamp die morgen promoveert op zijn onderzoek naar kunstmatige atomen en moleculen in quantum dots. Onderzoek dat hij verrichtte aan de subfaculteit Technische Natuurkunde, om preciezer te zijn bij Dimes, het Delftse instituut voor microelektronica en submicrontechnologie.
1 Opnamen van drie verschillende quantum dots: pilaartjes met een diameter van ongeveer 500 nanometer.
Oosterkamp: ,,Ik moet wel een beetje glunderen als ik aan al die artikelen denk. Het Nature-artikel vind ik het mooiste verhaal. Het moeilijkste experiment om te realiseren en daarom het leukste.”
Toch ziet de onderzoeker publiceren niet als een doel op zich. ,,Ik ben niet zo commercieel ingesteld. Ik vind het bijvoorbeeld veel moeilijker om aandacht aan de vorm te besteden dan aan de inhoud. Een artikel schrijven is eigenlijk een onpersoonlijk iets. Er is geen directe communicatie. Ik vind het leuker om mijn werk direct aan personen uit te leggen.”
Het onderzoek maakt gebruik van quantum dots om het gedrag van elektronen te bestuderen op kleine afstanden. Zo klein dat de kwantummechanica het gedrag van de elektronen bepaalt. Welke regels volgen de elektronen in de dot? Voelen de elektronen elkaars aanwezigheid en hoe uit zich dat? Oosterkamp vond de antwoorden en ontdekte dat de quantum dots perfecte systemen zijn waarin hij de theoretische modellen kon testen.
Quantum dots
De quantum dots (kwantumstippen) bestaan uit microscopisch kleine pilaartjes die in Japan gemaakt worden. In deze pilaartjes sluiten de onderzoekers elektronen op. Eén voor één kunnen ze de elektronen binnen laten waardoor het aantal elektronen in de dot altijd precies bekend is.
De analogie tussen echte atomen en quantum dots is groot. In atomen zitten elektronen vast aan de kern. De elektronen van een quantum dot zitten opgesloten in de pilaartjes en kunnen die niet verlaten. Bewegen elektronen in echte atomen zich banen rond de kern, in de dot bewegen de elektronen zich in platte cirkels. Het zijn als het ware platte atomen. Kunstmatig atomen door de mens gemaakt.
2 Twee gekoppelde quantum dots gedragen zich als een kunstmatig molecuul
Dat de elektronen cirkelvormige banen in de dot maken is een gevolg van de kwantummechanica die zegt dat het elektron een golfgedrag heeft. De kwantummechanica bepaalt verder dat niet alle cirkels mogelijk zijn. Slechts cirkels met bepaalde afmetingen. In vaktermen heet het dat een elektron in een bepaalde cirkel een bepaald energieniveau bezet. Overgangen tussen verschillende niveaus zijn wel mogelijk. In echte atomen kan een overgang van het ene naar het andere niveau zich uiten in het uitzenden van licht. Een voorbeeld is het gele licht dat de natriumlampen langs de snelwegen uitzenden.
Trompet
,,Mensen doen vaak zweverig over dat golfkarakter”, vertelt Oosterkamp. ,,Je kunt het ook als een gegeven van de natuur aanvaarden. De stap naar het bestaan van niveaus is dan niet zo moeilijk. In ons dagelijks leven zijn er veel voorbeelden dat bepaalde golven het beter doen dan andere.”
Vlak voor zijn promotie zal hij het publiek het bestaan van deze niveaus proberen duidelijk te maken met behulp van zijn trompet en een zes meter lang telefoonsnoer. ,,Met mijn lippen kan ik vele tonen blazen maar met de trompet erbij hoor je slechts enkele tonen, golven, heel goed. In de quantum dots is dat net zo. Er zijn vele golven mogelijk. Alleen sommige golven doen het heel goed en die vormen die cirkelvormige banen.”
Het zes meter lange telefoonsnoer zal aan één kant vast gemaakt worden. Door een zwiep aan het losse eind van het snoer te geven, ontstaat er een golfpatroon. Niet een willekeurig patroon. Sommige golven houden zich als het ware zelf in stand en het bewegende telefoonsnoer zal juist die golven zichtbaar maken. ,,De grondtoon verschijnt als je het snoer langzaam op en neer beweegt. Maar wanneer je het snoer steeds sneller op en neer zwiept, zullen de boventonen duidelijk te zien zijn.”
Interacties
In zijn proefschrift komen de kwantummechanische gedragsregels van de elektronen aan bod. Een hoofdstuk gaat over de interacties tussen de elektronen in een dot en laat zien dat er ook een periodiek systeem voor de platte atomen is. Een quantum dot met twee elektronen is vergelijkbaar met het heliumatoom dat ook twee elektronen heeft.
Door twee quantum dots dichtbij elkaar te brengen, bestudeerde Oosterkamp de interacties tussen elektronen in de twee dots. Hij ontdekte dat het duo zich als een kunstmatig molecuul gedraagt. Net zoals echte moleculen opgebouwd zijn uit individuele atomen.
De sterkte van de koppeling tussen de twee dots bepaalt waar de elektronen terecht komen en daarmee de aard van de moleculaire binding. Zo kunnen de elektronen zich mooi over de twee dots verdelen waardoor twee ionen gevormd worden. Een andere instelling van de koppelingssterkte zorgt ervoor dat de elektronen geen voorkeur hebben en zich razendsnel heen en weer tussen de twee dots blijven bewegen.
Ook bleek dat interacties met de omgeving een rol speelden. De metingen toonden de mogelijkheid van spontane overgangen tussen niveaus in de quantum dot. Deze overgangen zijn vergelijkbaar met de overgangen in echte atomen waarbij ze spontaan licht uitzenden. Quantum dots zenden echter geen licht uit maartrillingsgolven die zich voortbewegen in het materiaal waaruit de dots zijn gemaakt.
Het geheim van zijn succes ligt volgens Oosterkamp in zijn manier van meten. ,,Je moet je best doen om aan de quantum dots de gegevens te ontfutselen. De kunst is om die omstandigheden te creëren waardoor juist dat ene effect zichtbaar wordt. Hoe beter dat lukt, hoe makkelijker de interpretatie van de meting. Ik wil vooral een mooi experiment doen dat voor zich spreekt.”
Oosterkamp zegt ,,altijd veel plezier” in zijn werk gehad te hebben. ,,En belangrijk was ook het contact met alle technici. Mensen die hun vak verstaan waardoor je een beter experiment kunt doen. Ook was het persoonlijk contact met studenten en collega’s inspirerend. Samen meten is leuker dan alleen.”
Harvard
,,Mijn onderzoek zorgt vooral voor een beter begrip van het gedrag van elektronen in kleine structuurtjes”, vervolgt hij. ,,Er zijn geen directe toepassingen. Toch geloof ik dat de samenleving er wel iets aan heeft. Een beter begrip in gedragsregels van elektronen kan andere problemen oplossen. Problemen die ongetwijfeld zullen ontstaan als de bedrijven in de micro-elektronica nog veel kleinere transistoren gaan bouwen.”
De succesvolle promovendus zal zijn academische carrière voortzetten in Amerika aan de universiteit van Harvard. Als postdoctorale onderzoeker. Maar nu met het meten aan echte moleculen. ,,Mijn uiteindelijke doel is een molecuul te vinden dat als transistor kan dienen.”
Drie artikelen in het Amerikaanse Science, één artikel in het Britse Nature en vier in Physical Review Letters, het belangrijkste vaktijdschrift voor natuurkundig onderzoek. ,,Een mooie score voor een promotieonderzoek”, erkent Tjerk Oosterkamp die morgen promoveert op zijn onderzoek naar kunstmatige atomen en moleculen in quantum dots. Onderzoek dat hij verrichtte aan de subfaculteit Technische Natuurkunde, om preciezer te zijn bij Dimes, het Delftse instituut voor microelektronica en submicrontechnologie.
1 Opnamen van drie verschillende quantum dots: pilaartjes met een diameter van ongeveer 500 nanometer.
Oosterkamp: ,,Ik moet wel een beetje glunderen als ik aan al die artikelen denk. Het Nature-artikel vind ik het mooiste verhaal. Het moeilijkste experiment om te realiseren en daarom het leukste.”
Toch ziet de onderzoeker publiceren niet als een doel op zich. ,,Ik ben niet zo commercieel ingesteld. Ik vind het bijvoorbeeld veel moeilijker om aandacht aan de vorm te besteden dan aan de inhoud. Een artikel schrijven is eigenlijk een onpersoonlijk iets. Er is geen directe communicatie. Ik vind het leuker om mijn werk direct aan personen uit te leggen.”
Het onderzoek maakt gebruik van quantum dots om het gedrag van elektronen te bestuderen op kleine afstanden. Zo klein dat de kwantummechanica het gedrag van de elektronen bepaalt. Welke regels volgen de elektronen in de dot? Voelen de elektronen elkaars aanwezigheid en hoe uit zich dat? Oosterkamp vond de antwoorden en ontdekte dat de quantum dots perfecte systemen zijn waarin hij de theoretische modellen kon testen.
Quantum dots
De quantum dots (kwantumstippen) bestaan uit microscopisch kleine pilaartjes die in Japan gemaakt worden. In deze pilaartjes sluiten de onderzoekers elektronen op. Eén voor één kunnen ze de elektronen binnen laten waardoor het aantal elektronen in de dot altijd precies bekend is.
De analogie tussen echte atomen en quantum dots is groot. In atomen zitten elektronen vast aan de kern. De elektronen van een quantum dot zitten opgesloten in de pilaartjes en kunnen die niet verlaten. Bewegen elektronen in echte atomen zich banen rond de kern, in de dot bewegen de elektronen zich in platte cirkels. Het zijn als het ware platte atomen. Kunstmatig atomen door de mens gemaakt.
2 Twee gekoppelde quantum dots gedragen zich als een kunstmatig molecuul
Dat de elektronen cirkelvormige banen in de dot maken is een gevolg van de kwantummechanica die zegt dat het elektron een golfgedrag heeft. De kwantummechanica bepaalt verder dat niet alle cirkels mogelijk zijn. Slechts cirkels met bepaalde afmetingen. In vaktermen heet het dat een elektron in een bepaalde cirkel een bepaald energieniveau bezet. Overgangen tussen verschillende niveaus zijn wel mogelijk. In echte atomen kan een overgang van het ene naar het andere niveau zich uiten in het uitzenden van licht. Een voorbeeld is het gele licht dat de natriumlampen langs de snelwegen uitzenden.
Trompet
,,Mensen doen vaak zweverig over dat golfkarakter”, vertelt Oosterkamp. ,,Je kunt het ook als een gegeven van de natuur aanvaarden. De stap naar het bestaan van niveaus is dan niet zo moeilijk. In ons dagelijks leven zijn er veel voorbeelden dat bepaalde golven het beter doen dan andere.”
Vlak voor zijn promotie zal hij het publiek het bestaan van deze niveaus proberen duidelijk te maken met behulp van zijn trompet en een zes meter lang telefoonsnoer. ,,Met mijn lippen kan ik vele tonen blazen maar met de trompet erbij hoor je slechts enkele tonen, golven, heel goed. In de quantum dots is dat net zo. Er zijn vele golven mogelijk. Alleen sommige golven doen het heel goed en die vormen die cirkelvormige banen.”
Het zes meter lange telefoonsnoer zal aan één kant vast gemaakt worden. Door een zwiep aan het losse eind van het snoer te geven, ontstaat er een golfpatroon. Niet een willekeurig patroon. Sommige golven houden zich als het ware zelf in stand en het bewegende telefoonsnoer zal juist die golven zichtbaar maken. ,,De grondtoon verschijnt als je het snoer langzaam op en neer beweegt. Maar wanneer je het snoer steeds sneller op en neer zwiept, zullen de boventonen duidelijk te zien zijn.”
Interacties
In zijn proefschrift komen de kwantummechanische gedragsregels van de elektronen aan bod. Een hoofdstuk gaat over de interacties tussen de elektronen in een dot en laat zien dat er ook een periodiek systeem voor de platte atomen is. Een quantum dot met twee elektronen is vergelijkbaar met het heliumatoom dat ook twee elektronen heeft.
Door twee quantum dots dichtbij elkaar te brengen, bestudeerde Oosterkamp de interacties tussen elektronen in de twee dots. Hij ontdekte dat het duo zich als een kunstmatig molecuul gedraagt. Net zoals echte moleculen opgebouwd zijn uit individuele atomen.
De sterkte van de koppeling tussen de twee dots bepaalt waar de elektronen terecht komen en daarmee de aard van de moleculaire binding. Zo kunnen de elektronen zich mooi over de twee dots verdelen waardoor twee ionen gevormd worden. Een andere instelling van de koppelingssterkte zorgt ervoor dat de elektronen geen voorkeur hebben en zich razendsnel heen en weer tussen de twee dots blijven bewegen.
Ook bleek dat interacties met de omgeving een rol speelden. De metingen toonden de mogelijkheid van spontane overgangen tussen niveaus in de quantum dot. Deze overgangen zijn vergelijkbaar met de overgangen in echte atomen waarbij ze spontaan licht uitzenden. Quantum dots zenden echter geen licht uit maartrillingsgolven die zich voortbewegen in het materiaal waaruit de dots zijn gemaakt.
Het geheim van zijn succes ligt volgens Oosterkamp in zijn manier van meten. ,,Je moet je best doen om aan de quantum dots de gegevens te ontfutselen. De kunst is om die omstandigheden te creëren waardoor juist dat ene effect zichtbaar wordt. Hoe beter dat lukt, hoe makkelijker de interpretatie van de meting. Ik wil vooral een mooi experiment doen dat voor zich spreekt.”
Oosterkamp zegt ,,altijd veel plezier” in zijn werk gehad te hebben. ,,En belangrijk was ook het contact met alle technici. Mensen die hun vak verstaan waardoor je een beter experiment kunt doen. Ook was het persoonlijk contact met studenten en collega’s inspirerend. Samen meten is leuker dan alleen.”
Harvard
,,Mijn onderzoek zorgt vooral voor een beter begrip van het gedrag van elektronen in kleine structuurtjes”, vervolgt hij. ,,Er zijn geen directe toepassingen. Toch geloof ik dat de samenleving er wel iets aan heeft. Een beter begrip in gedragsregels van elektronen kan andere problemen oplossen. Problemen die ongetwijfeld zullen ontstaan als de bedrijven in de micro-elektronica nog veel kleinere transistoren gaan bouwen.”
De succesvolle promovendus zal zijn academische carrière voortzetten in Amerika aan de universiteit van Harvard. Als postdoctorale onderzoeker. Maar nu met het meten aan echte moleculen. ,,Mijn uiteindelijke doel is een molecuul te vinden dat als transistor kan dienen.”
Heb je een vraag of opmerking over dit artikel?
delta@tudelft.nl
Comments are closed.