Don Eigler: pionier in de wereld van het superkleine

Sneeuwvlokjes nabouwen

Jarenlang was dr. Don Eigler de enige reiziger in een nieuwe wereld. De IBM-onderzoeker kon als eerste atomen verslepen. Voor IBM levert het voorlopig vooral goede pr. Toepassingen in computers zijn nog ver weg. ,,We weten nog niet of er ooit nanotechnologie zal bestaan.''

door Martine Segers, gepubliceerd in Delta, 17 januari 2002

,,Iedereen verplaatst graag atomen'', vertelt Don Eigler zijn Delftse publiek tijdens zijn voordracht. Het is de dag voordat hij geëerd wordt door de TU met een eredoctoraat. De jongste persoon die hij atomen liet verplaatsen was drie, de oudste tachtig.

Via internet maakt Eigler contact met zijn laboratorium in de Verenigde Staten. Oud-KPN-topman prof.ir. Wim Dik krijgt als voorzitter van de lustrumcommissie de eer om het ook eens te proberen. ,,Klik eerst op dit knopje, dan op die en nu kun je het atoom verplaatsen naar waar je maar wilt.''

Aandachtig volgt de zaal wat er gebeurt. De scanning tunneling microscope is bezig met het maken van een nieuwe opname van het gladde koperplaatje met ijzeratomen erop. En inderdaad: het atoom is op zijn oorspronkelijke plaats verdwenen en duikt weer op waar Dik hem met een soort muis heen had gedirigeerd. Dat gebeurde wel bij hele lage temperaturen. ,,Dan zitten de atomen stil voor je'', legt Eigler uit. ,,Bij hogere temperaturen zijn atomen hyperactief als een vierjarig kind dat te veel suiker heeft gekregen.''

,,Het was geen simulatie'', stelt Eigler een dag later in het Museumhotel. ,,We maakten écht contact met mijn lab.''

Eigler maakte in 1990 faam met het bouwen van één van 's werelds bijzonderste laboratoriuminstrumenten. De kersverse eredoctor van de TU kon met de tip van zijn microscoop xenonatomen over een metaaloppervlak van nikkel slepen. ,,We spelden de letters van IBM. Dat was erg geinig om te doen.''


Goede reclame: Eigler schreef IBM met enkel atomen

En nu wil hij ook kinderen de smaak van leuke wetenschap laten proeven. Met zijn onderzoeksgroep breidt hij daarom de website die in contact met zijn lab in Almaden staat uit. ,,We willen een webcam in het lab zetten en de kinderen via een chatbox laten communiceren met de onderzoekers in het lab. Kinderen blijken heel nieuwsgierig te zijn en willen er van alles van weten.'' Komende maanden gaat een aantal docenten de website uitproberen, waarna hij een à twee keer per maand atoomverplaatssessies wil organiseren voor scholieren in alle delen van de Verenigde Staten. ,,Ik wil fascinatie en nieuwsgierigheid opwekken bij schoolkinderen; ze het gevoel geven dat ze een onbekend gebied verkennen.''

Elektronenzee

Gedurende de jaren negentig verblufte Eigler de fysische wereld met allerlei metingen die tekstboekkwantummechanica tot leven brachten. Voorspellingen uit ingewikkelde kwantummechanische formules waren voor het eerst op atomaire schaal meetbaar. Dat leverde bijna artistieke plaatjes op. Ze stonden in kranten en tijdschriften over de hele wereld.


Een ring van ijzeratomen op een koperplaatje
Illustratie: IBM

Eiglers groep plaatste bijvoorbeeld een ring van ijzeratomen op een koperplaatje. In de ring, die duizenden malen kleiner is dan een menselijke haar, zagen ze met hun microscoop het door dequantummechanica voorspelde golfpatroon. De elektronen van het bovenste gedeelte van de koperlaag gedragen zich namelijk als staande golven en vormen in de ring van ijzeratomen een patroon alsof er een steentje in een teil met water is gegooid.


Een nieuwe verrassing in het jaar 2000 was dat Eigler ook een soort luchtspiegeling kon laten zien door een kobaltatoom in een eclips van ijzeratomen te plaatsen. De buitenste elektronen van een kobaltatoom geven bij lage temperaturen een sterke interactie met de elektronenzee van het koperoppervlak eromheen. En die interactie zorgt niet alleen voor een piek op de plaats van het atoom, maar ook een stukje ernaast is er een punt waar relatief veel elektronen aanwezig zijn.

Eigler: ,,We noemen het een luchtspiegeling omdat we zo informatie over een atoom kunnen projecteren naar een andere plaats waar geen atoom ligt.'' Het effect is vergelijkbaar met zogenaamde fluistermuren, waarop je op bepaalde plekken over lange afstand kunt communiceren door te fluisteren omdat de geluidsgolven zich op twee punten versterken.


'Luchtspiegeling' van kobaltatoom in zee van koperelektronen
Illustratie: IBM

Bedrijfsgeheim

,,We willen nu de ringen met kwantumluchtspiegelingen aan elkaar koppelen, maar weten nog niet hoe'', vertelt de wetenschapper. ,,Eerst proberen we de fysica erachter beter te begrijpen. Ergens een atoom neerleggen kost veel tijd. Daarom proberen we nu een kwantumluchtspiegeling te maken binnen in een halfgeleider. De vraag is of dat ook een soort luchtspiegeling kan opleveren en of we dat met iets anders kunnen detecteren dan met onze microscoop.'' De stap naar een nieuw type computer is nog erg groot. Over hoe je met de luchtspiegelingen eenvoudige logica kunt bedrijven, heeft Eigler wel al ideeën, maar die zijn nog een bedrijfsgeheim.

Zijn onderzoek maakt de Amerikaan één van de pioniers op het gebied van de nanotechnologie, een containerbegrip voor een vakgebied waar de Amerikaanse overheid dit jaar maar liefst 520 miljoen dollar in investeert. Wat al dat geld op gaat leveren? Eigler heeft nog geen enkel idee. ,,Het is een spannende tijd.'' Onderzoekers over de hele wereld proberen allerlei ideeën uit, zoals moleculaire elektronica, koolstofnanobuisjes, aluminium ringetjes met kwantummechanische eigenschappen. ,,We weten echter nog niet waar we uitkomen'', zegt de wetenschapper. ,,We weten nog niet eens of er ooit nanotechnologie zal bestaan. Ik geloof er wel in. Er zijn te veel ideeën en er wordt te veel vooruitgang geboekt om uiteindelijk nergens uit te komen. In de Verenigde Staten rijzen de start-ups momenteel ook als paddestoelen uit de grond.''

Heelal

Atomen verplaatsen is nu nog een te trage techniek om er commercieel iets mee te produceren. ,,Alleen al het verplaatsen van enkele atomen kost al vreselijk veel geld.'' Doe je een seconde over het verplaatsen van één atoom, dan heb je tien keer de levensduur van het heelal aan tijd nodig om zelf één gram op te bouwen.

,,We kunnen nu ook nog geen dingen bouwen van atomen, maar ik denk niet dat er natuurwetten zijn die ons dat in de toekomst verhinderen. Complexe structuren kunnen supersnel ontstaan. Kijk maar naar de vorming van een sneeuwvlokje. Individuele moleculen kristalliseren razendsnel op een kern tot een complexe kristalstructuur. Er zijn dus geen natuurwetten die zorgen dat dat niet kan, maar we kunnen het nu alleen chemisch. We kunnen niet zelf zo'n structuur opbouwen.''

Vriend en vijand verbazen zich er wel eens over dat Eigler er nooit voor heeft gekozen om opeen universiteit te gaan werken. Hij woont slechts dertig kilometer bij Stanford vandaan. ,,Ik denk daar vaak over. Vooral het werken met studenten op een universiteit spreekt me erg aan. Bij ons bedrijf werken niet veel mensen van die leeftijd. Studenten stellen prachtige vragen; zo leren ze je heel snel wat je nog niet weet.''

Toch blijft hij bij IBM. ,,Bij dit bedrijf kan ik zelf in het lab blijven werken, met slimme en toffe collega's. Als hoogleraar op een universiteit ben je zoveel tijd kwijt met onderwijs, allerlei academische verplichtingen en het binnenhalen van onderzoeksgeld, dat je niet meer direct bij het onderzoek betrokken bent, alleen via de begeleiding van promovendi.''




TU-eredoctor dr. Don Eigler

Geboren: 1953 in Los Angeles

Afgestudeerd aan: de University of California, natuurkunde. ,,Ik was geen goede student, had meer interesse voor surfen en meisjes'', stelt Eigler. ,,Pas in mijn afstudeerfase raakte ik meer in onderzoek geïnteresseerd.''

Gepromoveerd op: de University of California. Eigler: ,,Als promovendus hoopte ik alleen maar mijn doctortitel te halen. Ik wist toen niet of ik wel door zou gaan in het onderzoek. Als onderzoeker ben ik veel succesvoller dan ik toen ooit had gedacht.''

Postdoc bij: Bell Labs

Verdere carrière: werkt bij IBM sinds 1986. Denkt er vaak over om op een universiteit te gaan werken, maar blijft IBM toch trouw omdat hij daar nog tijd krijgt om zelf in het lab te werken.


Don Eigler
foto: IBM

Krijgt eredoctoraat voor: een techniek om atomen mee te verplaatsen, 'zeer origineel en creatief denkwerk en een buitengewone technische presentatie', aldus TU-erepromotor prof.dr.ir. Hans Mooij.

Woonplaats: ver van de bewoonde wereld in een bos op de Santa Cruzbergen met zijn vrouw en twee honden.

Hobby's: klassieke science fiction, rondtrekken met een rugzak in de Sierra Nevada en het opknappen van oude Volvo's.



© Martine Segers