WETENSCHAP
3
& O N D E R ZO E K
Onzichtbaar
licht
Stop een LED in je lamp!
Impressie van de ruimtetelescoop Herschel, die naar verwachting volgend jaar het luchtruim kiest, met mede in Delft ontwikkelde terahertzdetectie-apparatuur aan boord. De Herschel is het grootste ruimte-observatorium dat ooit gelanceerd is: een telescoop met een diameter van 3.5 meter zal golflengten verkennen die nog niet eerder zijn geëxploreerd. Op de achtergrond een zeer recente foto van de ruimtetelescoop Hubble (28 februari 2006) van de Pinwheel Galaxy. Het is de grootste en meest gedetailleerde afbeelding van een spiraalvormig sterrenstelsel ooit gemaakt. Copyright: ESA/NASA
Een opsteker voor onderzoekers die zich bezighouden met de toepassing van licht: het ministerie van Economische Zaken trekt de komende vier jaar 22 miljoen euro uit voor een ‘innovatiegericht onderzoeksprogramma photonic devices’, een initiatief van prof.dr.ir. Joseph Braat van Technische Natuurwetenschappen. In de ban van het licht: een rondgang langs enkele highlights uit het Delftse fotonicaonderzoek.
(Foto: ESA)
Colin Ashruf 2006.1
4
WETENSCHAP
& O N D E R ZO E K
Onzichtbaar licht
De ‘witte’ laser blijkt groen licht uit te zenden. Onderzoekers verzekeren dat het toch echt om een witte laser gaat, met licht van alle zichtbare kleuren: ‘De groene component is in dit geval echter dominant, vandaar.’
“Nederland en de Nederlanders hebben een metafysische relatie met licht,” schreef Erwin van den Brink van het technologietijdschrift De Ingenieur in 2003. Hij doelde daarmee op grootmeesters als Johannes Vermeer die Nederlands unieke lichtval op doek vastlegde; op Nederlandse uitvindingen als de microscoop (gedaan door Cornelis Drebbel); op Nederlandse bedrijven als Philips Electronics (in 1891 begonnen als gloeilampenfabriek), asml (fotolithografische machines) en Océ (fotokopieermachines). Van den Brink pleitte er in zijn opstel voor onderzoek en ontwikkeling te concentreren op een aantal veelbelovende vakgebieden waarin Nederland sterk is, waaronder de fotonica (het vakgebied rondom toepassing van licht), in plaats van het industriebeleid van andere landen klakkeloos te kopiëren. Wat zouden “de nationale revenuen” zijn, droomt hij hardop, als Nederland bijvoorbeeld de technologie weet te ontwikkelen voor een optische computer. Nu heeft de TU Delft niet echt een metafysische relatie met licht — eerder een puur fysische — maar prof. Joseph Braat (TU Delft, Technische Natuurwetenschappen) en diens mede-initiatiefnemers van het nieuwste Innovatiegericht OnderzoeksProgramma (iop) zullen het met Van den Brink eens zijn. Hun programma heet namelijk ‘Photonic Devices’ en zal zich enerzijds richten op nieuwe lichtbronnen en optische detectiesystemen, en anderzijds op toepassingen van deze optische systemen in de gezondheidszorg. Het is de bedoeling dat de deelnemende onderzoeksinstellingen meer met elkaar en meer met het bedrijfsleven gaan samenwerken, wat op termijn moet leiden tot een fotonicacluster dat voor Nederland zal doen wat
Delfts fotonica-onderzoek: ‘Autolampen kunnen we over twee jaar allemaal gaan vervangen’
5)[QVMTF MBTFS QVMTF ɂǏ_ɂNJ
7PMUBHFTPVSDF L)[
7
&NJUUFSTFNJDPOEVDUPS DSZTUBM
2006.1
de chipindustrie voor de San Francisco-baai heeft gedaan—zo’n iop is per slot van rekening een subsidieregeling van het ministerie van Economische Zaken. “Wij hebben onze hobby’s waarover we graag publiceren,” zegt Braat, zelf ex-Philips-medewerker, “maar daarnaast heb je ook graag dat men iets met al die onderzoeksresultaten kan doen en daarvoor is het iop een mooi instrument. Hiermee worden alle partijen gedwongen uit hun loopgraven te komen en samen te werken.” Veel instellingen en bedrijven hebben al belangstelling getoond, aldus Braat, en het is de bedoeling dat zij aanhaken bij het onderzoek dat bij de verschillende universitaire groepen loopt. Wat voor soort projecten kunnen we in Delft verwachten? Een kijkje in de keuken… Onzichtbaar licht onthult universum Waar komen we vandaan? Hoe is het heelal ontstaan? Voor het antwoord op deze vragen, speuren astronomen het heelal af met steeds sterkere sterrenkijkers. Maar hoe groot de vergroting van deze systemen ook is, het zicht blijft beperkt. Dat komt omdat een conventionele telescoop kijkt naar zichtbaar licht (elektromagnetische straling met een golflengte van 400 tot 700 nanometer, oftewel een kleur van violet tot rood) terwijl verreweg de meeste straling uit het heelal, zo’n 98 procent, een golflengte heeft die veel groter is: zogenaamd ver-infrarood of terahertz-straling. De groep van prof. Teun Klapwijk van de groep Physics of Nano-Electronics (TU Delft, Technische Natuurwetenschappen) ontwikkelt de detectoren waarmee astronomen ook dit deel van het elektromagnetisch spectrum kunnen waarnemen.
Onzichtbaar licht
Door naar dit terahertz-frequentiegebied te kijken, kan men de samenstelling en de dichtheid nagaan van interstellaire gaswolken en pasgevormde sterren, al zijn deze miljarden kilometers van ons verwijderd. Elk molecuul heeft namelijk een unieke ‘terahertz-vingerafdruk’ waarin bepaalde frequenties dominant zijn of juist ontbreken. Dit is al langer bekend, vertelt Klapwijk, maar toch is dit spectrum in het verleden relatief ongeëxploreerd gebleven. “Pas nu wordt terahertz-straling herkend als technologie waar men ook wat mee kan.” Waarom? Dat heeft te maken met de vlucht die de nanotechnologie de laatste jaren heeft doorgemaakt, legt Klapwijk uit. Radiogolven (voor radio en televisie) en microgolven (voor draadloos internet) kunnen we met behulp van microchips goed verwerken, maar terahertz-straling heeft een duizend tot miljoen keer hogere frequentie; en hoe hoger de frequentie, hoe kleiner de structuren moeten zijn om de signalen te kunnen detecteren en verwerken. De ontwikkeling van zo’n terahertz-detector heeft veel voeten in de aarde gehad. Klapwijk vertelt over supergeleidende nobiumtitaannitride lagen van slechts enkele nanometers dik; over de koeling tot minus 269 graden Celsius om het geheel werkende te houden; over circuits met lokale oscillatoren; over cascadelasers... De boodschap: het is gelukt. In 2007 lanceert de European Space Agency (esa) de satelliet Herschel, met aan boord de instrumenten die Klapwijks groep in samenwerking met sron (Netherlands Institute for Space Research) heeft ontwikkeld. “Terahertz-straling wordt grotendeels geabsorbeerd door de atmosfeer, met name door de waterdamp, dus moet je hoog en droog zitten.” Behalve in de ruimte, worden de detectoren van de TU Delft en sron ook ingezet voor de Atacama Large Millimeter Array, een internationaal observatorium op 5.000 meter hoogte in de Atacama-woestijn in Chili. Het Nederlandse onderzoek op dit gebied krijgt dus wereldwijde erkenning, maar hoe zit het met de industriële toepasbaarheid? Heeft de Nederlandse economie er wat aan? Klapwijk: “Nou, er komen vanuit het buitenland veel euro’s naar Nederlandse instituten als tno, sron, Dutchspace (recent overgenomen eads Space), estec (het Noordwijkse onderzoekscentrum van de esa), en—dat wordt nog wel eens vergeten—deze instellingen besteden veel werk uit aan een reeks van (kleine) bedrijven in hun regionale omgeving.” Trots vertelt hij: “Rick Harwig, de directeur van Philips Research, heeft eens opgemerkt dat er in de Nederlandse astronomie geweldig mooie dingen gebeuren en dat ze daar bij Philips helemaal geen weet van hadden. Hij vond dat een schande. Leuk, dat ze bij Philips op deze manier ook eens de andere kant van de zaak belichten.” Er zijn ook toepassingen dichter bij huis. Klapwijk’s sensoren zijn namelijk ook geschikt voor het meten van de samenstelling van onze eigen atmosfeer (bijvoorbeeld voor het meten van de concentraties van ozon en uitstootgassen) en voor allerlei medische toepassingen. Zo wil Philips deze technologie gebruiken om de ademhaling van patiënten te monitoren. Terahertz-beelden,
WETENSCHAP
5
& O N D E R ZO E K
beweren sommigen, zou je zelfs kunnen gebruiken voor de detectie van tumoren of van explosieven op vliegvelden. Weg met röntgen Daarmee komen we op het terrein van Paul Planken, onderzoeker bij de opticagroep van Technische Natuurwetenschappen. Hij werkt aan systemen waarmee men terahertz-beelden kan maken, met aan de ene kant een terahertz-bron en aan de andere kant een terahertz-detector (waarvoor Klapwijk’s gekoelde instrumenten helaas onbruikbaar zijn). Terahertz-straling heeft namelijk nog een bijzondere eigenschap: het gaat dwars door de meeste materialen heen. Kleren, karton, plastic, katoen, noem maar op. Met een terahertz-straling kun je daarom door objecten heenkijken, net als met röntgen, met dit verschil dat terahertz-straling niet ioniserend en dus ongevaarlijk voor mensen is. “Daar waar je röntgen kunt vervangen door terahertz, zal het dan ook gedaan worden,” is Plankens stellige overtuiging. Hij laat terahertz-beelden zien van een markeerstift met de dop erop terwijl de punt toch zichtbaar is; van een gesloten luciferdoosje waarin je de lucifers ziet zitten; van het watermerk in bankbiljetten.
THz afbeelding (dicht ei)
originele afbeelding (geopend ei)
2.2 cm
THz afbeelding
originele afbeelding
De inhoud van gesloten objecten zoals een lucifersdoosje of een ei biedt geen geheim meer voor terahertzstraling.
Hoe astronomen hun best ook doen: het zicht van onze sterrenkijkers blijft beperkt.Een conventionele telescoop kijkt namelijk alleeen naar zichtbaar licht, maar verreweg de meeste straling uit het heelal heeft een veel grotere golflengte: ver-infrarood of terahertzstraling. In Delft worden detectoren ontwikkeld waarmee astronomen ook dit deel van het elektromagnetisch spectrum kunnen waarnemen. Waarom gaat terahertz-straling dwars door deze materialen heen? Planken: “Beetje flauw: omdat er niets zit dat het tegenhoudt.” Water, dat houdt deze stralen wel tegen, en dat verklaart waarom je niet door mensen (die immers voor 80 procent uit water bestaan) heen kunt kijken. Toch zijn er wel degelijk medische toepassingen, vertelt Planken. Zo zijn er groepen die beweren er huidtumoren mee te zien. Een tumor maakt namelijk veel vaten aan waar veel bloed en dus water doorheen stroomt—een ondoorzichtige plek zou dan mogelijk duiden op een gezwel. Hoewel toepassingen in de veiligheidscontrole momenteel veel aandacht krijgen, laat Plankens groep deze vooralsnog links liggen. “Hierbij gebruikt men namelijk relatief lage frequenties—
Een van de toepassingen bij THz-imaging, “stealth” vliegen
2006.1
6
WETENSCHAP
& O N D E R ZO E K
Onzichtbaar licht
strikt genomen geen terahertz—omdat kleren die goed doorlaten, terwijl wij juist geïnteresseerd zijn in de hogere frequenties omdat je daarmee niet alleen kunt zeggen dat er iets zit, maar ook wat er zit.” Planken zoekt het dan ook liever in instrumenten waarmee je door de verpakking van medicijnen heen kunt kijken om te bepalen wat erin zit (voor bijvoorbeeld productiecontrole). Of waarmee je de dikte en de samenstelling kunt bepalen van dingen als kunststofmantels van elektriciteitskabels of individuele verflagen van een schilderij. “Een van onze voorstellen voor het iop behelst de ontwikkeling van een terahertzmicroscoop waarmee we exact kunnen nagaan wat de samenstelling is van hetgeen we bekijken. Zo’n microscoop zou je wellicht kunnen gebruiken voor detectie van miltvuurbacteriën in poeders.”
Joseph Braat, oud-medewerker van gloeilamppionier Philips en initiatiefnemer van het onderzoeksprogramma ‘photonic devices’.
Games helpen fotonica-onderzoek De afdeling van Prof. Erik Jansen (Mediamatica; Elektrotechniek, Wiskunde en Informatica) werkt ook aan beelden, maar dan uitsluitend aan de software. Charl Botha, onderzoeker op deze afdeling, vertelt over een door hen ontwikkeld softwarepakket waarmee neurochirurgen thans de data uit de mri-scanner snel kunnen verwerken en gebruiken om de operatie voor te bereiden. Een interactief beeld geeft namelijk aan waar de zenuwbanen lopen, zodat chirurgen vooraf kunnen nagaan hoe ze de hersentumor met zo min mogelijk schade kunnen verwijderen. Verder werkt Jansens afdeling ook aan computerprogramma’s waarmee men de lichtval in ruimtes als theaters, musea of tunnels kan simuleren. “Onze modellen zijn nuttig voor ontwerpers die vooraf willen weten hoe het licht zal weerkaatsen of verstrooien in nieuwe ruimtes of bij nieuwe belichtingen. In dergelijke situaties kunnen fouten achteraf heel kostbaar zijn,” zegt Jansen. “Neem bijvoorbeeld een tunnel. Als je die ruimte verkeerd belicht, kunnen automobilisten hun gevoel voor diepte verliezen, met alle gevolgen van dien.” Een bedrijf als Philips gebruikt dit
Bedrijven kunnen op verschillende manieren meedoen met dit IOP, legt Joseph Braat uit, bijvoorbeeld door zitting te nemen in een gebruikerscommissie of liefst door zelf mee te werken aan het onderzoek en zo tot 25 procent van de onderzoekskosten gesubsidieerd te krijgen. Totaal budget voor de eerste 4 jaar (van in totaal 8 jaar): 22 miljoen euro (goed voor ongeveer 50 promovendi over heel Nederland, waarvan volgens Braats inschatting 10 in Delft). Overige initiafnemers: Universiteit
(Foto: ESA)
Twente (MESA), TU Eindhoven (COBRA), AMOLF (fom Institute for Atomic and
Molecular Physics), Vrije Universiteit (Lasercentrum). Voor de gedetailleerde aanvraagprocedure, zie: www. senternovem.nl/iop-pd
Tests bij ESTEC/ESA in Noordwijk: de Herschel met terahertzdetectie-apparatuur die zomer 2007 vanaf Kourou (Guyana, Fr.) mee omhoog gaat.
2006.1
soort softwaretechnieken bij de ontwikkeling van nieuwe autokoplampen en reflectoren. Autokoplampen, tunnels, reflectoren… stel je voor hoe zo’n simulatie eruit ziet op de computer en het roept onmiddellijk beelden op van - juist! - computerspelletjes. En wat blijkt? Jansens groep maakt inderdaad gebruik van dezelfde grafische kaarten die nodig zijn voor ‘Colin McRae Rally.’ De ontwikkeling van de hardware waarmee wij werken, wordt nu eenmaal gedicteerd door de games-wereld, zegt Jansen. “Maar je kunt er veel meer mee doen dan mooie computerspelletjes maken.” Witte lasers en led’s Dit iop gaat ook over lichtbronnen als lasers, wiens heldere rode of groene lichtbundels immer weten te fascineren. Te bedenken dat het nieuwste op het gebied van lasers nu juist een witte laser is! Die zal het misschien minder goed doen in de disco, maar blijkt desalniettemin best nuttig—zo nuttig zelfs, dat de uitvinders, John Hall en Theodor Hänsch, er reeds vorig jaar de Nobelprijs voor kregen. (Ze deden hun uitvinding in 2000.) In samenwerking met de TU Delft heeft het Nederlands Meetinstituut (NMi) nu een eigen opstelling gebouwd. Nandini Bhattacharya, onderzoeker bij de opticagroep van Technische Natuurwetenschappen, legt uit hoe die werkt. Anders dan de lasers in de disco, zendt deze een reeks kortstondige pulsen uit. Hoe korter de puls, weten we uit de signaaltheorie, hoe meer frequenties (kleuren) in het signaal voorkomen, en al deze kleuren tezamen ziet het menselijk oog als: wit licht. Tot zover de stand van de techniek voor 2000. Want met de nieuwe witte laser is nog iets bijzonders aan de hand: de Nobelprijswinnaars kregen het namelijk voor elkaar deze via een ingenieus terugkoppelsysteem te stabiliseren. De frequenties zijn daarmee haarscherp gedefinieerd; en het frequentiespectrum toont dan ook een reeks scherpe pieken op exact dezelfde afstand van elkaar (met wat fantasie kun je in dit plaatje een kam in herkennen,
7
De titel van dit artikel
In samenwerking met de TU Delft heeft het Nederlands Meetinstituut een eigen witte-laseropstelling gebouwd.
vandaar de naam ‘frequentiekamlaser’). Wat heb je eraan? Veel, blijkt. Ten eerste heb je met een zo’n laser een reeks nauwkeurig bekende frequenties beschikbaar, van laag tot hoog, die je goed kunt gebruiken als referentie bij metingen aan optische signalen, die voorheen een te hoge frequentie hadden om nauwkeurig te kunnen meten. Meten is namelijk niets anders dan vergelijken met een bekende referentie, en dat gaat nu eenmaal makkelijker als je referentie in de buurt komt van de te meten grootheid. (Vandaar dat men iemands lengte vroeger liever opnam in aantal voeten, dan in aantal duimen.) De frequentiekamlaser maakt de bouw van een zogenaamde optische atoomklok, die in potentie nauwkeuriger is dan een gewone atoomklok, dan ook een stuk eenvoudiger. Bhattacharya: “Voorheen had men hiervoor letterlijk kamers vol optische en elektronische apparatuur nodig en waren deze complexe opstellingen slechts op een paar plaatsen in de wereld beschikbaar.” Een doorbraak voor de wetenschap dus, deze laser, maar ook nuttig voor aardse zaken, en voor bedrijven die niet kijken op een femtoseconde meer of minder. Zo kun je met deze laser ook afstanden nauwkeuriger meten, wat wellicht van pas kan komen bij de volgende generatie plaatsbepalingsystemen, en werkt Bhattacharya met asml en tno aan een systeem waarmee men de ultradunne laagdiktes op chips kan meten. In de ban van wit licht is ook prof. Huub Salemink, bestuurlijk voorzitter van het Kavli Institute for Nanoscience. Zijn groep maakt structuren met dimensies van tientallen nanometers (gaten, groeven, putten en dergelijke), bedoeld om licht te manipuleren (te reflecteren, om te buigen, te
schakelen, te richten, enzovoort). Nu is dat nog infrarood licht voor telecomtoepassingen, maar binnenkort moeten hun systemen ook wit licht (met kortere golflengtes) aankunnen en daartoe moeten de schakelelementen nóg kleiner worden. Het idee is om de schakelelementen rechtstreeks te integreren op de lichtbron (een led of een laser), of anders op een aparte chip die men tegen ertegenaan plakt. Een dergelijk systeem zal de intensiteit kunnen beïnvloeden, de focus en de diffusie; zal bijvoorbeeld van puntverlichting kunnen overschakelen naar paneelverlichting, en dat alles zonder ingewikkelde lenzen.
het instrument noodzakelijkerwijs in een laboratorium, maar men zou dergelijke systemen graag verkleinen tot zakformaat zodat patiënten ze thuis of in de apotheek kunnen gebruiken. Daartoe zal men de lasers miniaturiseren en zal er verdere integratie plaatsvinden tussen de lichtbron en de vloeistofkanalen die het monster erlangs transporteren.” Hiertoe gaat Saleminks groep samenwerken met de groepen van prof. Paddy French en prof. Lina Sarro van onderzoeksschool dimes, die zich zullen concentreren op het sensorgedeelte en op de fabricage van de vloeistofkanalen. “Zij zullen de koppeling mogelijk maken van onze nanostructuren met de buitenwereld.” <<
Nieuwe koplampen Als lichtbron zal Saleminks groep de nieuwste blauwe of witte led’s (gemaakt van gallium nitride) gebruiken, van bijvoorbeeld Philips. Lumileds, een dochteronderneming van Philips, is een van de weinige bedrijven in de wereld die de technologie in huis heeft om dergelijke witte led’s te maken. “Binnen twee jaar zullen de koplampen van auto’s bestaan uit deze led’s,” zegt Salemink, “en zullen het systemen zijn die automatisch reageren op de omgeving.” De koplampen zullen dan bij bijvoorbeeld mist, hevige sneeuwval, of het ontbreken van straatverlichting zelf de verlichting instellen die het beste zicht geeft. De verwachting is dat deze energiebesparende en duurzame led’s niet alleen in auto’s toegepast gaan worden maar binnenkort zelfs de positie van gloeilampen en tlbuizen zullen overnemen. Salemink wil deze nanofotonische systemen ook gebruiken in medische analyse-instrumenten die moleculen zichtbaar maken met laserlicht. “Nu is de laser zo groot als een computerkast en staat
Wilhelm, of later, William Herschel (1738-1822) was de DuitsEngelse astronoom die Uranus ontdekte. Herschel’s zoon John Frederick William (1792-1871) werd een vermaard wiskundige.
2006.1
