Leiden met Dirk Bouwmeester in race naar laagste temperatuur

Dirk Bouwmeester, hoogleraar in het Physics Department van de Universiteit van California in Santa Barbara (UCSB), wordt per 1 februari tevens hoogleraar kwantumoptica en kwantuminformatie in Leiden. In het Leids Instituut voor Onderzoek in de Natuurkunde (LION) gaat hij een nieuwe onderzoeksgroep starten met het doel kwantumverschijnselen zichtbaar te maken in macroscopische objecten. Dat wil zeggen: niet in enkele atomen of wolkjes atomen, maar in objecten die je ‘vast kunt houden’.

Kwantumoptica en kwantuminformatie zijn onderzoeksgebieden waarin de ontwikkelingen snel gaan en de concurrentie groot is. De kwantumoptica bestudeert niet alleen de kwantumeigenschappen van fotonen, zoals superpositie en verstrengeling, maar gebruikt licht ook als instrument om kwantumeffecten in vaste stoffen te kunnen detecteren. Een voorbeeld daarvan is het koelen van materiaal met behulp van fotonen. Een zo laag mogelijke temperatuur – de afwezigheid van thermische vibratie – is een voorwaarde om ooit kwantumverschijnselen te kunnen zien. Dirk Bouwmeester, die bekend staat om zijn uitdagende experimenten, bedacht een nieuwe manier om een microscopisch kleine spiegel met behulp van fotonen te koelen tot een temperatuur van 0,133 Kelvin. Bouwmeester beschreef dit experiment in Nature van 2 november 2006. Hij overtroefde twee andere groepen, die in dezelfde editie van Nature hun onderzoek naar koeling met fotonen publiceerden, met een factor honderd. Zij koelden tot 10-20 K.

Bouwmeester: ‘De koelingsmethode die mijn onderzoeksgroep aan de Universiteit van California in Santa Barbara heeft ontwikkeld maakt gebruik van de kracht die licht kan uitoefenen door te reflecteren van een voorwerp. Met deze methode kunnen we een kleine mechanische veer met daarop een spiegeltje koelen van kamertemperatuur, zeg 20 graden Celsius (ongeveer 293 Kelvin) tot ongeveer -273 graden Celsius (0,133 Kelvin). Aan de Universiteit van Leiden willen we deze optische koeling combineren met meer gebruikelijke koelingsmethoden, zodat we vermoedelijk temperaturen van 0,000.001 Kelvin kunnen bereiken. Bij zulke uitzonderlijk lage temperaturen hopen we kwantumeigenschappen van de veer met het spiegeltje te bestuderen.’

Bouwmeester zal in Leiden een tweede onderzoeksproject beginnen met als doel elementaire bouwstenen te ontwikkelen voor een kwantummechanische computer. Voor Bouwmeester is Leiden aantrekkelijk vanwege de bestaande high tech infrastructuur in het Kamerlingh Onneslaboratorium, dat beschikt over expertise met geavanceerde cryogene technieken, en trillingsvrije eilanden. Ook het feit dat Leiden een eigen hoogontwikkelde fijnmechanische dienst in huis heeft, die ideeën van wetenschappers omzet in werkende systemen, speelt mee. De Leidse natuurkunde is blij met de ‘vangst’ van Bouwmeester. Dankzij een Marie Curie Excellence Grant van de Europese Unie en een grote donatie van het Leidse College van Bestuur is het mogelijk om Bouwmeester een vliegende start te geven. Er wordt een grote groep juniorstafleden geworven om de geplande experimenten onder leiding van Bouwmeester uit te voeren en het Kamerlingh Onneslaboratorium wordt in de komende maanden verbouwd zodat aan de hoogste eisen kan worden voldaan qua temperatuurstabiliteit en klimaatbeheersing.

Tegelijkertijd zal Bouwmeester ook werkzaam blijven in Santa Barbara om gebruik te maken van de specifieke faciliteiten en expertises daar. ‘De combinatie Santa Barbara – Leiden maakt het team ijzersterk. Daarmee is de groep goed gepositioneerd om de komende jaren voor fundamentele doorbraken in de kwantumfysica te zorgen’, aldus professor Jan van Ruitenbeek, directeur van het Leids Instituut voor Onderzoek in de Natuurkunde.

De Leidse natuurkunde is vanouds bekend om het onderzoek bij lage temperaturen, een eeuw geleden opgestart door Heike Kamerlingh Onnes. Hij was de eerste die helium vloeibaar maakte bij een temperatuur van -269° Celsius. Dat is vier graden boven het absolute nulpunt (-273.16 ° Celsius), dat per definitie 0 Kelvin is. Onnes kreeg hiervoor in 1913 de Nobelprijs. Van Ruitenbeek: ‘Net als met Kamerlingh Onnes is er een wereldwijde race gaande bij lage temperaturen. Bouwmeester kan die race winnen door met volle kracht van start te gaan in Leiden.’ Dirk Bouwmeester (1967) is geboren en getogen in Nederland. Hij verrichte zijn natuurkundestudie en promotieonderzoek (met een onderzoekssubsidie van FOM) aan de Universiteit Leiden. In 1995 promoveerde hij in de kwantumopticagroep van professor Han Woerdman . In 1996 ontving hij van NWO een Talentbeurs om onderzoek te doen aan speciale oplossingen van de Maxwellvergelijkingen voor licht.

Bouwmeester verrichtte dat onderzoek in de groep van de fameuze Roger Penrose in Oxford. Van 1997 tot 1998 was Bouwmeester postdoctoraal onderzoeker in de groep van Anton Zeilinger in Innsbruck. In die periode verrichtte hij experimenten aan kwantumteleportatie en aan driedeeltjeskwantumverstrengeling. In 1999 en 2000 ontving Bouwmeester een onderzoeksstipendium van Wolfson College (Oxford). Hij richtte een nieuwe kwantumopticagroep op binnen het ‘Center for Quantum Computation’ van de universiteit van Oxford. Zijn onderzoeksgroep publiceerde de eerste quantum cloning experimenten. Sinds 2001 is Bouwmeester hoogleraar aan de Universiteit van California in Santa Barbara. Daar werkt hij binnen het ‘Center for Spintronics and Quantum Computation’ en binnen het ‘California Nanosystems Institute’. Bouwmeester verricht experimenten op het gebied van kwantumoptica, vastestoffysica en biofysica.

In 2004 was Bouwmeester co-ontvanger van de Europese Descartesprijs. In 2005 hield hij de NWO-Huygenslezing, een jaarlijkse lezing waarbij wetenschappers van wereldformaat spreken voor een breed publiek. Bouwmeester heeft meer dan 50 publicaties op zijn naam staan, waaronder zes in Nature, en is schrijver/samensteller van een boek over de wetenschap van de kwantuminformatie. Bouwmeester heeft gedoceerd op internationale zomerscholen in China, Zuid-Korea, India, Argentinië, Brazilië, Zuid-Afrika, de Verenigde Staten en in verschillende Europese landen. Bouwmeester komt op een deeltijdaanstelling in dienst als hoogleraar bij de Universiteit Leiden en combineert dat met een deeltijdaanstellingpositie bij zijn huidige werkgever, de Universiteit van California in Santa Barbara.

Leiden