Aangestampt licht uit Buitenveldert

Extreem ultraviolet licht is ideaal voor molecuulonderzoek, maar lastig te produceren. De Vrije Universiteit Amsterdam gebruikt Russische trucs om het toch te maken....

Door Martijn van Calmthout

Fysicus prof. dr. Wim Ubachs van de Vrije Universiteit Amsterdam zet de verslaggever een plastic bekertje koffie voor met een plak rozijnen-cake op een papieren wegwerphanddoekje. Verjaardag van een collega, zegt hij. Het bier, traditie als de groep een serieuze publicatie heeft gescoord, komt later in de week nog wel.

Maar binnen is hij, de publicatie in top-vakblad Physical Review Letters (PRL) van een artikel van het Lasercentrum van de universiteit. Over een zelfontwikkelde techniek om loepzuiver ultraviolet licht te maken van ongekend korte golflengtes. Onzichtbaar voor het oog, maar zeer bruikbaar voor fysisch onderzoek.

En dat met table top-apparatuur die met een beetje goede wil past op een keukentafel. Daar kunnen ze het mee doen bij de directe concurrentie met haar synchrotrons, grote en peperdure elektronenversnellers van het formaat machinefabriek. Die zijn niet alleen veel duurder, hun licht is ook minder zuiver van een bepaalde kleur dan met de Amsterdamse techniek.

Die Buitenveldertse keukentafel is wél een forse. Om precies te zijn een optische tafel van twintig centimeter dik graniet die luchtgeveerd en trillingsvrij is opgehangen. Daar, in het lasercentrum, staat op slechts een paar vierkante meter de opstelling waarover Ubachs, zijn Italiaanse promovendus Fernando Brandi en de Bulgaarse postdoc Dragomir Neshev rapporteren in PRL van 17 oktober. De eerste in zijn soort ter wereld, en niet de laatste, schat Ubachs.

Helgroen licht knippert rusteloos in een ogenschijnlijk willekeurige wirwar van spiegeltjes, lenzen, kristallen, kleurstofcellen, hulplasers, diafragma's. Een Litouwse gastonderzoeker trekt geschrokken de handen terug als er ergens diep uit de opstelling elektrische doorslagen opklinken.

Het geknetter is afkomstig uit misschien wel het opvallendste onderdeel in het geheel, een meterslange glazen buis vol water, van een paar centimeter doorsnee, waarin op gezette afstanden mysterieuze groene lichtbanden opgloeien.

Dat, wijst Ubachs, is een pulscompressor, een apparaat dat een korte intense flits laserlicht van pakweg vijf nanoseconde lang (een stuk bundel van anderhalve meter) omzet in een nog eens twintig keer kortere puls met nagenoeg evenveel energie. Gebaseerd op een van oorsprong Russische truc uit het defensieonderzoek, waarbij een lichtflits letterlijk bij elkaar geveegd wordt.

Met die extreem korte pulsen is de basis gelegd voor het uiteindelijke doel van het werk aande VU: extreem uvlaserlicht met een golflengte van tussen de dertig en honderd nanometer. Dat is op te wekken door in een korte flits tientallen miljoenen megawatts lichtenergie per vierkante centimeter op een wolkje kryptongas te schijnen. Het intense licht rukt dan elektronen uit gasatomen, versnelt ze op de lichtgolven en laat ze dan weer terugvallen in het atoom. Daarbij komt ultraviolet licht

vrij.

Omdat het binnenkomende licht zo intens is, gebeuren er echter rare dingen. Ongeveer zoals de boventonen die klinken als een piano veel te hard wordt aangeslagen, zo ontstaat niet alleen licht dat het krypton het liefst uitzendt. Ook ontstaan er zogeheten hogere harmonischen van de lichttrillingen.

In de opstelling van Ubachs gaat dat meetbaar door tot en met de 19de harmonische, waarvan de trillingsfrequentie negentien maal hoger is dan normaal kryptonlicht. En de golflengte dus negentien maal korter dan normaal.

Met dat (voor het oog overigens onzichtbare) licht van rond de veertig nanometer golflengte experimenteren is niet gemakkelijk omdat het zich niet in lucht kan voortplanten. Zelfs glazen vensters laten het niet door. Metingen, bijvoorbeeld aan de manier waarop stikstof in de allerhoogste luchtlagen uv-licht van de zon absorberen zoals aan de VU gebeurt, vinden daarom allemaal plaats in hoog vacuüm.

Ubachs en zijn collega's hebben tot nog toe vooral in principe aangetoond dat ze met de opeenstapeling van optische trucs kraakheldere pulsen van extreem ultraviolet kunnen maken. Maar veel meer dan een miljoen fotonen per puls zijn er niet mee te maken, bekent Ubachs. Dat is pakweg een factor honderd minder helder dan het minimum waarmee spectraal onderzoek aan moleculen doorgaans wordt uitgevoerd.

Om nog maar te zwijgen van de intensiteiten die nodig zouden zijn om met dit kortgolvige uv-licht patronen op superkleine chips te tekenen, een mogelijkheid waarvan chipmakers als ASML in Veldhoven al jaren hardop dromen.

Ubachs studeert voor meer intensiteit nu op een nieuw kunststukje, ditmaal van een lasergroep in Boulder, Colorado. Die schieten de laserpulsen in de lengterichting in een haardun buisje waar kryptongas doorheen stroomt. In theorie lopen daardoor per lichtpuls meer gasmoleculen kans tot lichtgeven te worden opgejut.

Maar sleutel zoiets maar eens in elkaar, zucht de Amsterdamse fysicus.

Wilt u belangrijke informatie delen met de Volkskrant?

Tip hier onze journalisten


Op alle verhalen van de Volkskrant rust uiteraard copyright.
Wil je tekst overnemen of een video(fragment), foto of illustratie gebruiken, mail dan naar copyright @volkskrant.nl.
© 2023 DPG Media B.V. - alle rechten voorbehouden