TECHNIEK OP SCHAAL

? Van kilometer tot picometer, op iedere schaal wordt gebouwd en geknutseld. Vandaag: koeling met elektronen. Afmeting: onvoorstelbaar klein.

Helemaal eerlijk is dat niet. We weten al langer dat het elektron massa heeft (10 kg), en sinds 1990 is er ook een 'experimentele' doorsnede bekend: 10 meter. Deze waarde is overigens afgeleid uit magnetische metingen en stelt alleen een bovengrens. De werkelijke waarde kan veel kleiner zijn.

Wat er nu staat is al zó onvoorstelbaar minuscuul dat het geen zin heeft termen als 'een miljoenste van een miljoenste Ã¥ngström' te hanteren. De diameter heeft bovendien geen reële fysische betekenis. Het getal is er vooral voor de gemoedsrust van wetenschappers, die het elektron nu eindelijk een afmeting kunnen geven.

Diameter of niet, elektronen zijn nuttige deeltjes. Ze transporteren elektrische energie en functioneren als informatiedrager in computers en elektronische sensoren. Hier gaat het over die laatste toepassing: over sensoren die gebruikt worden om heel zwakke verschijnselen (zoals infraroodstraling uit het heelal) waar te nemen.

In dergelijke elektronica geldt: hoe kouder het circuit, hoe nauwkeuriger de meting. Een elektronische sensor kan met laagenergetische 'koude' elektronen namelijk veel zwakkere signalen registreren dan met hun hoogenergetische 'hete' familieleden.

Een standaard koelmethode is om de meetcircuits te omgeven met vloeibaar helium van 4' Kelvin (-269 'C), net even boven het absolute nulpunt. Nog lagere temperaturen worden alleen bereikt met allerlei ingewikkelde kunstgrepen. Het Amerikaanse National Institute of Standards and Technology in Boulder (Colorado) kwam eind vorig jaar met een nieuwe truc op de proppen. Ze ontwierpen een 'elektronenfilter', dat hete van koude elektronen kan scheiden.

Omdat de minuscule omvang van elektronen zonder praktische betekenis is, konden John Martinis en zijn collega's uiteraard geen echt filter gebruiken. Ze maakten gebruik van het quantummechanische 'tunnel'-effect.

De quantummechanica drijft nogal eens de spot met onze intuïtie, omdat ze gebaseerd is op statistische berekeningen waarin de logica van de klassieke fysica van ondergeschikt belang is. Zo kan het gebeuren dat een elektron er op zeldzame momenten in slaagt een isolerende barrière te overbruggen. Het is er dan doorheen 'getunneld'.

De Amerikaanse onderzoekers maakten handig gebruik van dit verschijnsel. Ze fabriceerden een sandwich van een laagje koper, daarop een ultradun isolerend laagje aluminiumoxyde en bovenop een laagje supergeleidend aluminium. Tot hun plezier bleek het mogelijk elektronen van het koper, dóór de isolator, naar de supergeleider te laten tunnelen en af te voeren.

Onder de juiste omstandigheden is het mogelijk alleen de elektronen met hoge energie uit het koper te trekken. De sandwich werkt dan als een minuscule koelinstallatie. Doordat de hete elektronen worden afgevoerd, koelt het achterblijvende koper af.

In de eerste experimenten daalde de temperatuur van 0,1' K tot 0,085' K. Dat lijkt geen spectaculaire daling, maar de onderzoekers zijn er zeer tevreden over. Want in deze temperatuurregionen is het motto: 'alle kleine beetjes helpen'.

Meer over

Wilt u iets delen met Trouw?

Tip hier onze journalisten

Op alle verhalen van Trouw rust uiteraard copyright. Linken kan altijd, eventueel met de intro van het stuk erboven.
Wil je tekst overnemen of een video(fragment), foto of illustratie gebruiken, mail dan naar copyright@trouw.nl.
© 2019 DPG Media B.V. - alle rechten voorbehouden