Leo Kouwenhoven ‘ziet’ elektronen bewegen

601d
Aan zelf metingen doen komt prof.dr.ir. Leo Kouwenhoven eigenlijk niet meer toe. Andere dingen houden hem bezig, zoals het vinden van een bestemming voor het geld van de Spinozaprijs, die hem begin deze maand werd toegewezen. Maar intensief betrokken bij het onderzoek blijft hij wel degelijk. Sterker nog, hij ligt er ‘s nachts wel eens wakker van.

Het Kavli Institute of Nanoscience, waar u werkt, zou wel eens het best gefinancierde onderdeel van de TU Delft kunnen zijn. U zult dus wel niet steil achterovervallen van de anderhalf miljoen die aan de Spinozaprijs verbonden is.
Voor alles wat we hier bedenken is meestal wel financiering te vinden. In die zin heb ik het niet direct nodig, maar het blijft veel geld, hoor. Bovendien is het vrij besteedbaar, waardoor het effectief veel meer is dan anderhalf miljoen. Aan ander onderzoek zitten allerlei vereisten vast die je beperken in waar je het geld voor kunt inzetten. Ik heb een idee om het geld te besteden aan een project samen met Harvard, waar ik ook een aanstelling heb, maar dat moet verder uitkristalliseren voor ik erover kan vertellen.

Leo Kouwenhoven

Als hoogleraar gaat het grootste deel van uw tijd op aan andere dingen dan het onderzoek zelf. Mist u het wetenschappelijke handwerk?
Eigenlijk zou ik wel één week per jaar alleen maar willen meten, maar daar is het de afgelopen jaren niet van gekomen. Ik zou een reis moeten plannen die ik nooit boek, om zo een week vrij te houden. Maar dat doe ik niet, dus kennelijk liggen mijn prioriteiten toch elders.
Bovendien vraag ik voor zo’n week eigenlijk een week begeleiding van een promovendus. Ik kan tenslotte niet zomaar een laboratorium binnenlopen en aan de knoppen gaan draaien. De apparatuur, de software, die moet ik eerst uitgelegd krijgen. We kunnen het tenslotte niet hebben dat een promovendus van alles moet repareren, omdat ik zo nodig wilde meten.

Als u het zo zegt, lijkt het net alsof u ver weg staat van de onderzoekspraktijk. Maar de verhalen van uw promovendi geven aan dat u juist zeer betrokken bent.
De promovendi en postdocs doen het werk. Ik geef zo nu en dan een duwtje. Dat kan heel effectief zijn. Ik kom in actie als er problemen zijn, bijvoorbeeld een kapot apparaat, maar ook een idee dat bij nader inzien toch niet zo goed blijkt te zijn. Ik probeer absoluut mee te doen met het intellectuele proces: nadenken, in discussie gaan, werkoverleg organiseren, enzovoort.
Door de juiste mensen aan te trekken hoop ik ook te bereiken dat mensen elkaar gaan meetrekken, al is het heel moeilijk om mensen daarop te selecteren. Stiekem hoop je toch dat de snelste mensen het tempo van de groep bepalen. De druk is groot in een omgeving waar veel gepresteerd wordt.
Mijn filosofie tijdens het begeleiden is meedoen. Ik wil niet de pedagoog uithangen, maar vraag mensen het probleem uit te leggen, zodat ik mee kan denken. Dan gebeurt het vaak dat ik het probleem herken. Niet dat ik meteen kan zeggen wat eraan schort, maar ik heb een idee in welke richting de oplossing waarschijnlijk gezocht moet worden. Dat is toch de ervaring van onderzoek, bezochte conferenties en gelezen artikelen, die in mijn systeem zitten.

Dat proces van herkenning, is dat deductief of associatief van aard?
Die twee zijn in de praktijk niet te scheiden. Er zit altijd een stuk deductie in. Wat je ziet is immers de meetdata. Die moet je vertalen naar het gedrag van elektronen en op dat niveau vindt dan een associatie plaats.

En die associaties, zijn dat beelden of formules?
Het zijn beelden van elektronen die aan de gang zijn, in quantummechanische zin. Ik zie dus geen elektronen, maar golffuncties, en denk dan dingen als: die golffunctie kan nooit zo groot zijn, dus hij zal wel om het hoekje gaan en dan interfereren. Dat heb ik altijd gehad. Mijn hang om inzichten naar plaatjes te vertalen is groter dan naar formules. Daar ligt ook mijn grootste theoretische bijdrage.

Geeft u eens een voorbeeld.
In 1991 heb ik een model voor elektronentransport, dat daarvoor alleen in formules vervat was, omgezet in een plaatje. Dat plaatje is nu de standaard die in het vakgebied gebruikt wordt.

Het moment waarop u dat voor het eerst ziet, is dat echt een eureka-moment?
Ja. Toen we voor het eerst doorhadden dat je verschillende soorten quantum dots, doosjes waarin je een enkel elektron kunt opsluiten, kon ordenen op dezelfde manier waarop je atomen ordent in het periodiek systeem, was dat een prachtig moment. We hadden die dots gekregen van een Japanse bezoeker, met wie we samen de eigenschappen ervan bestudeerden. Toen hij al terug was naar huis, viel ons een knikje op in de meetgegevens. Dat zijn we verder gaan uitpluizen en op een gegeven moment viel alles op zijn plek. Zo zijn er meer onderzoeken waar ik met heel veel plezier aan terug denk. Anderzijds zijn het allemaal dingen uit het verleden. Ik lig er niet meer ‘s nachts wakker van.

Dat doet u bij lopend onderzoek wel?
Jazeker.

Wanneer u nieuw onderzoek formuleert, doe u dat dan ook aan de hand van beelden die in uw hoofd ontstaan? Anders gezegd, ‘ziet’ u als het ware nieuwe mogelijkheden, die u vervolgens gaat verkennen?
Het onderzoek waar we nu aan werken, heb ik inderdaad in een plaatje vervat om het te kunnen uitleggen aan anderen. Dat lukt meestal vrij aardig. Het plaatje is zo helder dat iedereen ziet wat het doel is. Het stimuleert theoretici om bepaalde aspecten, dingen die nu nog onmogelijk lijken, nader uit te werken.

Wat voor onderzoek is dat?
Het gaat om het koppelen van twee vakgebieden, elektronica en optica, maar dan op het niveau van enkele elektronen en fotonen. Het beeld is een futuristic device. Langs de lengte van een nanodraad zitten twee verstrengelde elektronen opgesloten. Dat wil zeggen dat hun quantummechanische eigenschappen zo gemanipuleerd zijn dat ze zelfs op grote afstand nog steeds een eenheid vormen: wanneer je de ‘spin’ van de ene verandert, verandert die van de ander vanzelf mee. Als je nu een poortje in de nanodraaad open zet, stuur je het ene elektron langs de draad naar een iets ander materiaal, waar het omgezet wordt in een foton met dezelfde quantummechanische eigenschappen.

Dat klinkt behoorlijk onmogelijk.
Nou, in zekere zin is het gewoon een led: een elektrische stroom wordt omgezet in licht. Alleen wordt hier een enkel elektron omgezet in een enkel foton. De vraag is onder welke condities ook de quantummechanische eigenschappen overgaan. Het zijn tenslotte totaal verschillende deeltjes. Een elektron is een fermion, een massadragend deeltje. Een foton is een boson. We proberen als het ware een kikker te laten praten tegen een aap, al gaat die vergelijking misschien wel erg ver.

En waarom zou dat lukken?
Omdat ik het wil. Dit idee is puur ontstaan omdat ik graag wil dat het kan. Er zijn overigens ook praktische redenen om dit te willen. Bepaalde metingen zijn heel moeilijk te doen aan elektronen, maar makkelijk aan fotonen. Als je twee verstrengelde elektronen hebt, en je kunt één daarvan omzetten in een makkelijk te meten foton, dan weet je ook de eigenschap van dat achtergebleven elektron.
De quantum-verstrengeling van deeltjes is een belangrijk onderdeel van ons nationale onderzoeksprogramma naar quantum-informatieprocessen. Wat gebeurt er bijvoorbeeld met de verstrengeling tussen twee deeltjes, wanneer je ze door een vaste stof heen leidt? Het zou mooi zijn als die verstrengeling ook op een complexer niveau met meerdere deeltjes zichtbaar wordt. Iets anders waar we mee bezig zijn is de levensduur van quantum-toestanden. Meestal vervalt een quantum-toestand na enkele tientallen microseconden. Er zijn verschillende concepten om die termijn te verlengen naar misschien wel enkele seconden. Dat willen we ook proberen.

Naar mate verstrengelde elektronen beter onder controle gebracht zijn, worden ze bruikbaarder als qubits, de rekeneenheden van de quantumcomputer. Uw mentor, prof.dr.ir. Hans Mooij, gelooft niet zo erg meer in de quantumcomputer zoals die nu in theorie bestaat. U wel?
Het bijzondere aan de quantumcomputer is, dat de hardware nog niet bestaat, maar dat er al wel algoritmen voor geschreven zijn, bijvoorbeeld om hele grote getallen te factoriseren. Dat gaat ook wel lukken, denk ik. Ik denk dat de quantumcomputer ook allerlei simulaties zal kunnen doen. Maar er zullen, zoals Mooij ook zegt, ongetwijfeld ook volstrekt andere toepassingen komen. De quantum-informatie is zo’n fundamenteel nieuw verschijnsel, dat het zeker een nieuwe bron voor toepassingen zal blijken te zijn.

U heeft inmiddels vele artikelen in Nature op uw naam, iets dat veel collega’s hopen eens in hun leven te bereiken. Motiveert dat nog, weer een publicatie in een toptijdschrift?
Nou ja, het wordt onvermijdelijk minder bijzonder. Nature heeft een beetje het imago van mooie-plaatjesfysica. Daar ben ik toevallig goed in, maar het moet wel een middel blijven, geen doel worden. Als ik heel eerlijk ben, hebben er wel eens artikelen van mij in Nature gestaan waarvan ik nu denk: het zag er mooi uit, maar zo super bijzonder was het niet. Ik schep er nu bijvoorbeeld wel eer in om een artikel te schrijven in Physical Review Letters. Naar mate je meer in toptijdschriften gepubliceerd hebt, wordt de inhoud weer belangrijker dan het tijdschrift waar het in komt te staan.

Harvard had u graag full time willen hebben. Toch koos u voor Delft, een internationaal minder klinkende naam. Waarom eigenlijk?
Daar liggen mijn roots. Een beetje binding met je instituut is toch wel motiverend. Bij Harvard had ik het onbehaaglijke gevoel van: waarom zou ik me voor dit instituut uit de naad werken? Dat doe ik dan liever in Delft.

Prof.dr.ir Cees Dekker, samen met wie u geldt als de nanopioniers van Delft, spreekt zich regelmatig uit over de gevolgen die nanotechnologie kan hebben, bijvoorbeeld op ethisch vlak. Voor u geldt dat minder. Is dat bewust?
Ik geef mijn mening wel. Er wordt alleen minder om vaak om gevraagd. Dat betekent niet dat ik het onbelangrijk vind. Ik ben me er wel degelijk bewust van dat het vakgebied maatschappelijke consequenties heeft en denk daar ook regelmatig over na. Ook spreek ik regelmatig met de ethiek-docenten van de faculteit Techniek, Bestuur en Management, of ik presenteer iets op bijeenkomsten voor journalisten.
Onze boodschap is dat je goed moet kijken wat voor type ethische problemen er zijn en of die nieuw zijn. Sommige problemen van nanotechnologie, bijvoorbeeld de giftigheid van stoffen, zijn welliswaar belangrijk, maar ethisch gezien niet nieuw. Anderzijds zijn er ook nieuwe ethische problemen, maar die zijn nog niet urgent, omdat de technologie er nog lang niet is. Denk bijvoorbeeld aan een hersenuitbreiding door een harde schijf te implanteren, en dat je dan ineens Chinees kunt lezen. Daarvan kun je je terecht afvragen hoe wenselijk dat is.
Cees Dekker spreekt vanuit zijn christelijke overtuiging. Dat betekent niet dat een niet-christen zoals ik geen mening over ethische zaken zou hebben. Het is zelfs goed denkbaar dat we dezelfde mening hebben.

Tot slot: blijft u dit tot uw pensioen doen?
Dat weet ik niet, maar het zou zomaar kunnen.


Wie is Leo Kouwenhoven?

Leo Kouwenhoven (1963) studeerde natuurkunde aan de TU Delft en promoveerde in 1992 cum laude op een onderwerp op het snijvlak van quantummechanica en nanostructuren. Aansluitend werkte hij twee jaar als postdoc in Berkeley. Daarna keerde hij terug naar de TU Delft, in dienst van de KNAW. In 1999 bood Harvard hem een hoogleraarschap aan, maar in plaats daarvan aanvaardde hij en professoraat in Delft. Wel bracht hij daarna een jaar door aan Harvard en heeft hij er een kleine aanstelling, die hem in staat stelt de contacten met nanowetenschappers daar intensief te onderhouden.

Kouwenhoven heeft tientallen publicaties in natuurkundige toptijdschriften op zijn naam staan. Op 4 juni 2007 kende NWO de Spinozaprijs, de belangrijkste wetenschappelijke prijs van Nederland, toe voor zijn doorbraken op het gebied van quantumtransport in halfgeleiders.

Eerder verschenen in Delft Integraal 3, 2007. Beeld: NWO.