Elektrische stroom ‘zien' met diamanten sensoren

Kijken naar wat je niet kunt zien. Meten wat nog nooit eerder gemeten is. Zomaar een greep uit de onderwerpen waar Dr. Toeno van der Sar (Quantum Nanoscience) zich dagelijks mee bezighoudt. In zijn onderzoeksgroep zoekt hij met minuscule magneetjes de grenzen van de natuurkunde op.

Tot voor kort leek het meten van extreem zwakke magneetvelden onmogelijk. De ontdekking van een sensor zo klein als een atoom heeft hier echter verandering in gebracht. De naam van deze sensor? Het NV-centrum. Met het NV-centrum kun je zwakke magneetvelden die opgewekt worden door elektrische stroom meten. Dit zou bijvoorbeeld kunnen bijdragen aan de ontwikkeling van betere computerchips.

Een foutje in de natuur
Het NV-centrum, dat je kunt vinden in diamant, hebben we te danken aan een foutje in de natuur. De structuur van een pure diamant bestaat uit een rooster dat uitsluitend koolstofatomen bevat. Van der Sar: “Een NV-centrum is een roosterdefect in diamant. De naam NV staat voor nitrogen-vacancy, stikstof-gat in het Nederlands. NV-centra komen voor in de natuur, maar je kunt ze ook zelf maken door diamant te beschieten met stikstofatomen. Dit proces zorgt naast de aanwezigheid van stikstof ook voor lege roosterplekken in de diamant. Als je de diamant vervolgens verhit tot duizend graden, gaan die lege roosterplekken bewegen totdat ze een stikstofatoom ontmoeten.” Het stikstof-gat-centrum is hiermee geboren.

Het NV-centrum is een soort kleine magneet. “Als je een magneet in een magneetveld zet, dan wil hij in een bepaalde richting langs het magneetveld gaan staan en niet andersom, want dat kost veel energie”, legt Van der Sar uit. “Hoe sterker het magneetveld, hoe groter deze energie.” Omdat het NV-centrum zo klein is, is het al gevoelig voor erg zwakke magneetvelden en is het ook in staat om deze zwakke magneetvelden te meten.

Een zee van magneetjes
Waar het NV-centrum maar uit één klein magneetje bestaat, kun je een magnetisch materiaal, zoals een stukje ijzer, zien als een verzameling van miljarden kleine magneetjes. Van der Sar: “Al deze magneetjes samen bewegen in een soort golfbeweging door het materiaal, een spingolf. Je kunt lokaal een spingolf opwekken, die zich vervolgens voorplant door het materiaal.” Spingolven zijn erg moeilijk meetbaar, maar met een NV-centrum kan het dus wel. Onlangs is het Van der Sar lab erin geslaagd om spingolven in magneten te observeren. Wat je aan spingolven hebt? “In tegenstelling tot elektrische stroom, produceren ze weinig warmte”, legt Van der Sar uit. “Hierdoor zouden we ze bijvoorbeeld als alternatief kunnen gebruiken voor informatietransport op computerchips. Het meten van spingolven is essentieel voor de ontwikkeling van deze nieuwe manier van informatietransport.”

Delfts slootwater
Van der Sar kijkt ernaar uit om in de toekomst nog meer te leren met behulp van het NV-centrum. “Mijn motivatie om aan dit onderzoek te werken zijn de onverwachte ontdekkingen die je doet als je op een nieuwe manier naar een fysisch verschijnsel kunt kijken. Bij mij zijn dit magneetvelden op de nanoschaal. Ik voel me dan af en toe net zoals Antonie van Leeuwenhoek zich gevoeld moet hebben toen hij Delfts slootwater onder zijn microscoop legde. Hij had geen idee wat hij daarin zou aantreffen, maar ontdekte vervolgens een volledig nieuwe wereld. Dat is voor mij wel de grootste motivatie voor dit onderzoek: dat je een techniek hebt waarmee je nieuwe dingen kunt zien.”