doctoraat kandidaat Irene Battisti van het Leids Instituut voor Natuurkunde heeft de meest trillingsvrije cryogene scanning tunneling microscoop ter wereld ontwikkeld. De nieuwe microscoop zou licht kunnen werpen op onconventionele supergeleiding.

Een scanning tunneling microscoop (STM) is uiterst delicaat. Een meetnaald met een atomair scherpe apex is slechts een paar angstrom verwijderd van een monster. Dit is ongeveer de diameter van een atoom, dus de trillingen tussen de naald en het monster moeten extreem klein zijn. Als een referentie, de punt van de Mount Everest zou minder mogen trillen dan de grootte van een bacterie. Aanvullend, Battisti wilde een cryogene microscoop maken met een temperatuur rond de 4 Kelvin - bijna het absolute nulpunt. Deze ultra-lage temperaturen zijn nodig voor spectroscopische visualisatie van de elektronische eigenschappen van materialen tot op atomaire schaal. "Dit compliceert de zaken enorm, omdat de mechanica van gewone STM's niet geschikt zijn voor zulke lage temperaturen, " legt Battisti uit. Daarom, ze werkte met saffier. "Dit materiaal is niet alleen duur, maar de taaiheid maakt het ook erg moeilijk te verwerken, " ze zegt.

De Ultramicroscopiezaal in het Gorlaeusgebouw is ontworpen om trillingen te isoleren. Volgens de architect het is een van de meest trillingsvrije plekken ter wereld. Dit wordt bereikt door een aparte stichting, waaraan een betonnen 'eiland' van 30 ton is opgehangen door middel van veren, bekroond met een met lood gevulde tafel op een tweede set veren. Gecombineerd met het unieke ontwerp van de microscoop, het systeem creëert de meest stabiele cryogene STM ter wereld.

Maar waarom is dit niet eerder gedaan? "Pas recentelijk is de technologie voldoende ontwikkeld om deze microscoop te bouwen. Maar nog belangrijker, de afdeling Fijnmechanica (FMD) in Leiden beschikt over cruciale kennis en vaardigheden, die vrij uniek zijn in de wereld." Battisti werkte nauw samen met Kees van Oosten en Gijsbert Verdoes van de FMD. "Ze maken echt deel uit van onze onderzoeksgroep. En het feit dat we in hetzelfde gebouw zitten was erg handig en verbeterde de samenwerking enorm, ' zegt Battisti.

De groep van Milan Allan, waarvan Battisti deel uitmaakt, bestudeert kwantummaterialen, inclusief hoge temperatuur supergeleiders. "Normaal gesproken, materialen worden supergeleidend onder de 4 Kelvin, " legt Battisti uit. "Dit vereist vloeibaar helium voor koeling, wat erg duur is. Maar sommige materialen worden supergeleidend bij 100-150 Kelvin, waarvoor alleen gemakkelijk toegankelijke vloeibare stikstof nodig is."

Echter, hoe deze supergeleiders bij hoge temperaturen werken, blijft een mysterie, waardoor het moeilijk is om ze daadwerkelijk praktisch toe te passen. "Sinds ik begon met mijn Ph.D., we hebben hard gewerkt om dit mysterie te begrijpen, samen met onze collega's van het Lorentz Instituut. Met deze nieuwe STM, Ik hoop een aantal belangrijke stukjes aan de puzzel toe te voegen. We weten dat golven met elkaar kunnen interfereren, " zegt Battisti. "En door het interferentiepatroon van golven te bestuderen, we kunnen iets te weten komen over de golflengte of de golfeigenschap. Vanuit de kwantummechanica, we weten dat we elektronen als deeltjes kunnen zien, maar ook als golven - de dualiteit van golven en deeltjes. De experimenten die we willen uitvoeren, kijken naar de golfachtige kenmerken van elektronen. En met onze nieuwe STM, we kunnen de interferentie tussen deze elektronengolven visualiseren op het oppervlak van het materiaal. Van deze patronen we kunnen dan eigenschappen van de elektronen zelf extraheren, en daarmee eigenschappen van het materiaal."