MIT, Nature en een contrabas

Onlangs verscheen het onderzoek dat RUG-promovendus Sander Kamerbeek tijdens zijn masteropleiding natuurkunde verrichtte aan het Massachusetts Institute of Technology (MIT) in het tijdschrift Nature. Hij weet nog wanneer de grote doorbraak plaatsvond. ‘Het was rond drie uur ’s morgens. Ik belde direct mijn begeleider: je moet nú naar het lab komen.’

Sander studeerde Technische Natuurkunde aan de RUG, eerst een bachelor en toen een masteropleiding. ‘Ik vind natuurkunde ontzettend leuk, want het geeft antwoord op zo veel vragen over de wereld waarin we leven. Bijvoorbeeld waarom de lucht blauw is. Maar natuurkunde laat ook zien dat als bepaalde natuurconstanten een heel klein beetje groter of kleiner zouden zijn, het universum zoals wij dat kennen helemaal niet had kunnen bestaan.’

Toch is natuurkunde niet zijn enige passie. ‘Ik heb serieus overwogen om naar het conservatorium te gaan. Ik speel contrabas en dat is ook belangrijk voor mij. Maar ik kwam tot de conclusie dat ik muziek als hobby naast de natuurkunde kon aanhouden, terwijl dat andersom onmogelijk was.’ Dus ging hij naar de universiteit en bespeelt hij zijn contrabas gewoon om het plezier. ‘Op dit moment in de Big Band Dutch Spirit en in een jazz-trio.’

In zijn werkkamer in het natuur- en scheikunde gebouw Nijenborgh 4 vertelt Sander hoe hij bij het MIT terechtkwam. ‘Veel van mijn studievrienden wisten een stage te regelen op een interessante plaats in het buitenland, zoals Japan, Singapore of de VS. Je masterscriptie doe je vooral intern, maar de stage kan je overal doen, ook bij een bedrijf. Mijn eerste keus was een onderzoekslab van IBM in de VS. Maar dat ging niet door.’

Hij had al een aantal projecten gedaan in de onderzoeksgroep Physics of Nanodevices van de faculteit. Een nieuw staflid in die groep, Tamalika Banerjee, was zijn scriptiebegeleider en zij had samengewerkt met een onderzoeker die nu hoogleraar aan het MIT was. Banerjee stelde Sander voor om bij hem stage te gaan lopen. ‘Ze schreef een aanbevelingsbrief voor mij en ik werd aangenomen. Dus zat ik in november 2010 in Boston, waar ik maar één persoon kende, een postdoc uit Groningen. Ik wist niet eens precies wat voor onderzoeksproject ik zou gaan doen. Maar als je nooit eens risico neemt kom je nergens.’

Het pakte allemaal goed uit. Hij werd goed opgevangen in de onderzoeksgroep en trof daar meer internationale studenten die stage liepen. ‘We deden regelmatig dingen samen. Het was daar gebruikelijk om lange dagen te maken, van negen tot zeven, maar er waren vaak ook lange pauzes. Dan gingen we met een groep een uur lang ergens lunchen, of we gingen na het werk nog uit.’

Het volgende deel is nogal technisch – wie daar geen zin in heeft kan doorbladeren naar de uitsmijter!

Voor zijn onderzoeksproject moest Sander ultrakleine devices maken, schakelingen, waarin nieuwe moleculen verwerkt waren. ‘Uiteindelijk moest dat project nieuwe technieken voor data-opslag opleveren.’ De schakeling die Sander gebruikte bestond uit twee ferromagnetische elektroden, gescheiden door een niet-magnetische scheidingslaag. Beide elektroden hebben een zogeheten magnetisch moment.

Denk aan twee staafmagneten bovenop elkaar. Die kunnen in dezelfde richting liggen (de noord- en zuidpool allebei aan dezelfde kant) of in tegengestelde richting. Maar in tegenstelling tot zo’n staafmagneet, waarvan het magnetische veld vast ligt, kon Sander het magnetisch moment van de twee elektroden in de schakeling ompolen.

‘Wanneer je een stroom laat lopen door de schakeling is de weerstand het laagst wanneer het magnetisch moment van beide elektroden gelijk gericht is.’ Door het magnetisch moment van een van de elektroden om te polen, verandert de weerstand. ‘Op die manier kan je in zo’n schakeling dus binaire informatie opslaan en uitlezen: je hebt hoge of lage weerstand.’ Dit soort schakelingen, met een scheidingslaag van organische moleculen, lijken veelbelovende kandidaten om de huidige generatie opslagmedia op te volgen. Alleen zijn ze nog te ingewikkeld om echt in toepassingen te verwerken.

De scheidingslaag tussen de twee elektroden is belangrijk voor de werking van de schakeling. ‘Die mag de stroom die er doorheen gaat niet beïnvloeden en mag ook niet magnetisch zijn.’ Het was de taak van Sander een nieuw materiaal voor de scheidingslaag te testen, een laag van ongeveer honderd moleculen dik. Maar het testen leverde merkwaardige resultaten op.

‘De resultaten wilden maar niet kloppen. Normaal zie je een verandering in de weerstand wanneer je het magnetisch moment van een elektrode ompoolt, en weer een verandering als je ook de tweede elektrode ompoolt. Maar in eerste instantie zag ik maar één verandering.’ De technische details zijn nogal ingewikkeld, maar uiteindelijk bleek dat de scheidingslaag werkte als een derde magneet in het systeem. ‘Dat was verrassend, want het materiaal heeft van zichzelf geen magnetische eigenschappen. Maar het bleek dat de eerste laagjes moleculen die op een magneet liggen, daardoor zelf magnetisch worden.’

Voor wie het technische deel heeft overgeslagen: hier begint de uitsmijter!

Het cruciale experiment deed Sander in de kleine uurtjes van de nacht. ‘Ik maakte die schakelingen met elektrodes en het scheidingslaagje zelf, maar ze deden het lang niet allemaal goed. Dus als ik er eentje had die erg goed werkte, bleef ik zo lang mogelijk doormeten.’ Een extra complicatie was dat de metingen plaatsvonden bij minus 269 graden, in vloeibaar helium. ‘Wanneer de helium in het systeem verdampt is, warmt de schakeling op. Die kan daardoor gemakkelijk kapot gaan. Dus je kunt de metingen niet even stoppen om de volgende dag weer door te gaan.’

Die ene nacht kreeg Sander rond een uur of drie, vier interessante resultaten. ‘Ik zag direct dat dit belangrijk was, dus belde ik mijn begeleider: je moet nú naar het lab komen!’ Hij was er binnen tien minuten.’ De ontdekking leidde uiteindelijk tot een nieuw concept voor data-opslag. De details zijn – opnieuw – nogal technisch, maar het is hier genoeg te zeggen dat het werk van Sander de weg lijkt vrij te maken naar het opslaan van data op moleculaire schaal. En dat betekent: duizend maal meer data per oppervlakte dan nu mogelijk is. ‘MIT heeft een patent aangevraagd naar aanleiding van dit werk.’

Dit was allemaal in 2010 en 2011. Sinds anderhalf jaar werkt Sander nu in Groningen aan zijn proefschrift over ‘nanodevices’. Nog 2,5 jaar tot zijn promotie dus. En dan? ‘Ik heb nog geen idee. Ik vind onderzoek doen heel leuk, maar het is niet het enige dat mijn belangstelling heeft.’ Op 19 februari bespeelt hij weer zijn contrabas in jazzcafé De Spieghel. Om het plezier.

Over het onderzoek van Sander dat in Nature is gepubliceerd heeft het MIT een persbericht gemaakt. Of je kunt het Nature artikel '' Interface-engineered templates for molecular spin memory devices '’zelf lezen.