Het favoriete atoom van Don Eigler

Don Eigler is de man die met atomen schuift. In 1990 was hij degene die bedacht dat je met een Scanning Tunneling Microscope (STM) niet alleen atomen in beeld kunt brengen, maar ze ook kunt manipuleren. Toen hij met enkele tientallen Xenon-atomen het woord IBM schreef, ging dat plaatje de hele wereld over. Ook mensen die verder niets met de technologie hadden, waren gefascineerd: een mens kon individuele atomen op hun plek zetten.

Delft, een mottige donderdagmiddag in januari 2002. Don Eigler geeft een lezing. Zwarte bandplooibroek en overhemd met pen in het borstzakje, stropdas, snor, licht grijzend haar in een staartje bijeengehouden. Hij koppelt zijn laptop aan de beamer. Het bureaublad van zijn Windows is niet saai grijs of getooid met het logo van zijn werkgever IBM, maar toont zijn honden Argon en Neon, opvolgers van Xenon, die een poos geleden het tijdige voor het eeuwige verwisselde. De honden zetten een trend: dit gaat over meer dan alleen koele technologie.

Don Eigler door Hans StakelbeekHet praatje zelf is geroutineerd. Hij legt vlot zijn belangrijkste vondsten uit. Maar hij begint natuurlijk met de werking van de STM, een uitvinding van collega’s bij IBM. Het principe is dat je met een naald, die op het uiteinde een enkel atoom scherp is, vlak boven een oppervlak beweegt. De aantrekkingskracht tussen naald en oppervlak wordt sterk bepaald door de afstand tussen beide.

Als je middels elektronica zorgt dat de kracht gelijk blijft, terwijl de naald op en neer beweegt, dan volgt de naald dus de geometrie van het oppervlak. De informatie over op- en neerbewegingen kun je met een computer omzetten in beeld. Er ontstaat een ‘foto’ van het atoomoppervlak. Dit alles vindt plaats dichtbij het absolute nulpunt, want anders trillen de atomen teveel.

Eigler was degene die bedacht dat als je de tip nog verder laat zakken, de aantrekkingskracht tussen de tip en een atoom dat los op een oppervlak ligt, zo groot kan worden dat het atoom gaat bewegen. Dan kun je hem dus verslepen. Na die vondst kwam de quantum-corral. Zet een aantal atomen in een kringetje en daarbinnen ontstaat op het oppervlak een golfpatroon, alsof je een steen in een vijver gooit. Het zijn elektronen die zichtbaar worden. De derde grote ontdekking was dat een atoom in het ene brandpunt van een elliptische corral een sterke golfpiek in het andere brandpunt geeft. Dat maakt het principe geschikt voor informatie-overdracht, en dus voor toepassing in een rekenapparaat. Toegegeven, het is allemaal uiterst ver weg en voorlopig gaat het vooral om de natuurkundige principes, maar het idee is intrigerend genoeg voor wilde speculaties.

‘Really having fun’

Het eind van de lezing nadert. Het publiek luistert intensief. De meesten kennen de hoofdlijnen wel, maar het is altijd mooi ze van the-man-himself te horen. Dan kondigt Eigler aan dat hij nu iets gaat laten zien dat hij eigenlijk voor kinderen bedacht heeft. Hij legt via internet verbinding met de STM in zijn laboratorium in San Francisco. In beeld verschijnen enkele koolmonoxide-moleculen op een bedje van koper. Met een paar muisklikken verplaatst Eigler een van de moleculen.

Begeestering maakt zich meester van de zaal. Eigler heeft vanuit Delft twee atomen in San Francisco een paar nanometer verschoven. Dat wil iedereen wel eens proberen. De enige die mag is voormalig KPN-topman Wim Dik, tegenwoordig als hoogleraar in dienst van de TU. Maar Eigler heeft gelijk als hij na één actie zegt: ‘We houden ermee op, want anders zijn we vanavond nog aan het spelen.’

Tijd voor zijn laatste slide, een pagina uit zijn lab-logboek, waarin hij met koeienletters de woorden ‘I’m really having fun’ heeft geschreven. Hij wilde niet alleen de droge meetgegevens voor het nageslacht vastleggen, maar ook het enorme plezier dat hij aan zijn werk beleeft. ‘Dit is een belangrijk statement’, voegt hij er ten overvloede nog aan toe.

Aanleiding genoeg om daar na afloop eens over door te praten. Die fysische en technische hoofdlijnen, dat geloven we allemaal wel. Het is al vaker verteld en bovendien uitgebreid op internet te vinden. Maar wat motiveert een mens in ‘s hemelsnaam om twaalf jaar lang atomen op de vierkante nanometer te verslepen en het dan nog steeds zo ontzettend leuk te vinden?

Meisjes

‘Er zijn twee belangrijke redenen waarom ik zoveel plezier beleef aan het onderzoek’, legt Eigler uit. ‘Het eerste is de vreugde van de ontdekking. Je ziet aspecten van de natuur die niemand eerder gezien heeft. Dat is echt erg opwindend. Het tweede is de realisatie dat je iets snapt. Ook dat is een heerlijke gewaarwording. Wat het dagelijkse werk betreft: ik vind het gewoon erg leuk om dingen te ontwerpen en te bouwen – en ik vind het erg leuk om dat samen met anderen te doen.’

‘Wetenschap is principieel een sociale onderneming, niet iets dat je in je eentje doet. Als je het niet deelt, is het alsof het niet bestaat. Ik vind het heerlijk om dingen van anderen te leren of iets aan anderen te vertellen. Daarom haal ik ook kinderen naar mijn laboratorium. Dat is echt fantastisch. Ik had ooit twee meisjes van een jaar of tien in mijn lab. Ik vertelde hen een beetje wat atomen zijn en wat we deden. Toen heb ik hen aan de STM gezet. Daar raakten ze zo opgewonden van. Zelfs zeer jonge mensen beseffen dat ze met iets heel kleins bezig zijn, dat het niet zomaar iets is dat ze op het scherm zien.’

De kleine mens komt ook bij volwassenen boven zodra ze de web-applicatie voor de STM in handen krijgen. De pure fascinatie dat dit mogelijk is blijft, ook na twaalf jaar, en dat zal nog wel even zo doorgaan. Eigler: ‘Het is heerlijk om te zien hoe anderen reageren, zeker degenen die het voor het eerst doen. Als ik Wim Dik bezig zie, geniet ik misschien nog wel meer dan hij zelf. Dat is het sociale aspect van wetenschap, het geven en nemen. Maar ook zelf ben ik er niet op uitgekeken. Je zit wat te schuiven en ineens komt er iets in je op. Op het lab noemen we dat de boggle-factor – ik kan het verder niet omschrijven.’

Auto’s

Eigler kwam min of meer bij toeval in de nanosfeer terecht. Op aanraden van een leraar ging hij natuurkunde studeren. Zijn bouwlust bracht hem daar in de instrumentatie. Nadat hij afgestudeerd was in de lage-temperatuurfysica belandde hij bij IBM, waar de STM toen net was uitgevonden. Daaraan ging hij werken.

‘De gedachte om met atomen te schuiven kwam bij stukjes en beetjes op. Het was altijd al duidelijk dat je iets kon doen met het oppervlak: als je de tip van de naald erop liet crashen, kreeg je een lichte beschadiging. Op een gegeven moment bekeek ik een vervuild goud-oppervlak. Het leek erop dat naar mate ik vaker met de naald over het oppervlak heen scande, de vervuiling naar de zijkanten geveegd werd. Jaren later deed ik onderzoek met xenon-clusters op een goud-oppervlak en merkte op dat de xenon-clusters opschoven als de tip in de buurt kwam. Toen dacht ik: als we dit nou eens gecontroleerd konden doen… Een paar dagen later was het zo ver. Xenon is nog altijd mijn favoriete atoom, maar ik prefereer tegenwoordig koper als ondergrond. Het is makkelijk te prepareren en je kunt de elektronen erg goed zien.’

Ondanks de latere vondsten bleef dit het hoogtepunt, het moment dat de grootste golf van opwinding veroorzaakte, eerst bij de collega’s op het lab, later in de hele wereld. ‘Dit heeft de grootste psychologische impact gehad’, zegt Eigler zelf. ‘Het was ook meteen duidelijk dat dit een waardevol instrument zou worden voor fundamenteel onderzoek. Hoe meer werk we verrichten, hoe meer werk er overblijft.’

Bij al het geschuif wil men nog wel eens vergeten dat Eigler het merendeel van zijn tijd daar helemaal niet aan besteedt. Zelfs op het lab, waar ze precies weten wat hij allemaal uitspookt, blijft hij ‘the guy who moves the atoms’. Maar hij bouwt nog steeds instrumenten, verbeterde versies van de STM. ‘Als kind bouwde ik al veel’, vertelt hij. ‘Het is mooi om ideeën om te zetten in concrete dingen. Het gaat om dat moment waarop je denkt: dus zo ziet mijn idee eruit. In mijn vrije tijd restaureer ik auto’s, daarbij gaat het om dezelfde sensatie.’

Fluitmuziek

Al ruim twee jaar werken Eigler en zijn team aan een STM waarin een sterk magnetisch veld opgewekt kan worden. Tegelijk moet de temperatuur tot een halve Kelvin kunnen zakken (nu is vier Kelvin de uiterste mogelijkheid). En het geheel moet volkomen trillingsvrij zijn, want als het om bewegingen in de orde van nanometers gaat, kan iemand met een zware tred al behoorlijk roet in het eten gooien. Dat laatste maakt het onmogelijk om de conventionele methode voor temperaturen onder de vier Kelvin te gebruiken, want daar komt een pompje met helium-4 aan te pas. Pompjes bewegen en veroorzaken dus trillingen. Eigler werkt met een zelf ontworpen warmtewisselaar.

Het nieuwe apparaat is bedoeld om onderzoek te doen aan de spin van elektronen (simpel gezegd: de richting waarin ze om hun as tollen). Ieder elektron richt zijn spin in een sterk magnetisch veld ofwel naar de veldrichting of precies daartegenin. De vraag is hoeveel energie er ingestopt moet worden om de spin om te keren. Dat moet bij een halve Kelvin gebeuren, want anders is de thermische energie van het elektron nog te groot in verhouding tot de te meten hoeveelheid energie. Als het lukt om gecontroleerd de spin om te schakelen, dan kun je in principe een enkel elektron gebruiken voor de opslag van een bit. Spin de ene kant op staat voor ‘0’, de andere kant op voor ‘1’.

Helaas functioneert het apparaat nog niet. Eigler: ‘Het magnetische veld doet het, de koeling ook. Maar als ik ze allebei tegelijk aanzet, krijg ik een rare oscillatie, ergens in de buurt van twee Hertz. Dat vind ik tegelijk verschrikkelijk en prachtig. Ik ben er dol op de detective uit te hangen en de bug op te sporen. Daar schrijf je geen wetenschappelijk artikel over – het zal de buitenwereld een zorg zijn dat je wat probleempjes hebt gehad – maar ik vind het een heerlijke bezigheid.’

Kortom, er ligt werk genoeg als hij terugkomt in San Francisco. En o ja, hij moet ook nog de geluidsinstallatie van het lab onder handen nemen. ‘Ik heb graag muziek aan tijdens het werk. We hebben een grote, exclusieve cd-collectie op het lab, met alles van klassiek en rock tot Chinese fluitmuziek. Alleen hebben we onlangs de subwoofer opgeblazen, dus die moet ik repareren.’ Je zou natuurlijk ook gewoon een nieuwe kunnen kopen. ‘Nee, ik sleutel er liever zelf wat aan.’

Eerder verschenen in De Ingenieur, 1-2-2002. De portretforo is gemaakt door Hans Stakelbeek.