‘Dit is Elsa.’

Promovendus Dennis Uitenbroek staat te sleutelen aan een metershoge opstelling rondom een grote cilindrische tank – een zogeheten cryostaat. Onder het bouwwerk ligt een kleedje met daarop de afbeelding van de beroemde Disney-sneeuwkoningin.

‘Ik was in een melige bui, en heb dit op AliExpress gekocht.’ Hij wijst naar andere tanks in het lab: ‘We geven ze de namen van Frozen. Dat is Marshmallow, en dat is Olaf.’ In het lab zijn ook een Frozen Legoset en een Olaf-knuffel te vinden.

Uitenbroek werkt in het Oosterkamp-Hensen Lab, vernoemd naar de twee leidinggevende professoren. De meethal is een wirwar van steigers, bedrading, pijpleidingen en computerschermen. Ze zijn er ook gezegend met hoge ramen, die een groen uitzicht bieden op de Wassenaarseweg. 

De hoofdattractie: cryostaten. Deze metersdikke omhulsels kunnen experimentele opstellingen tot extreem lage temperaturen koelen. Zo kunnen we de kwantummechanica waarnemen: het gedrag van het allerkleinste in het universum, zoals atomen en moleculen. Kwantummechanica voorspelt onder andere dat deeltjes kunnen teleporteren, of zich op meerdere plekken tegelijk kunnen bevinden - een fenomeen dat ‘superpositie’ wordt genoemd. Dit laatste proberen ze in de meethal te laten ontstaan.

‘Als je kwantumgedrag wil creëren, is dat erg moeilijk’, vertelt promovendus José Dupont. ‘Er is altijd interactie met de omgeving via bijvoorbeeld trillingen of warmte. Alle vormen van warmte zijn verstorend, dus we willen het systeem extreem koelen. Met slimme trucjes kunnen onze cryostaten de opstelling naar een paar millikelvin brengen.’ Die temperaturen liggen onder de -273 graden Celsius, vlak bij het absolute nulpunt.

Zwevende objecten

Trillingen uit de buitenwereld worden adequaat weggefilterd door elke cryostaat op een blok beton te plaatsen van twintigduizend kilo. Deze staan in de kelder onder het lab, op vier grote autobanden. Via een vierkant gat op de begane grond kan er een cryostaat op de bovenzijde van zo’n beton-eiland worden geplaatst.

Om extra isolatie te bieden, brengen de natuurkundigen hier soms objecten aan het zweven. Witold Kamphorst, bachelorstudent natuurkunde, doet er zijn eindproject over: ‘Ik probeer om steeds kleinere magneetjes te laten zweven om uiteindelijk kwantumschalen te bereiken.’ Hij wijst naar een cryostaat: ‘Uiteindelijk wil je het in zo’n mooie koelkast plaatsen.’

Dupont: ‘Onze vibratie-isolatie is uniek in de wereld. We moeten wel. We staan hier op veengrond, dat is niet zo stabiel.’ Ondanks de maatregelen zijn langsrijdende bussen nog altijd subtiel te zien in de metingen.

Het uiteindelijke doel van dit lab is om niet alleen kwantumeffecten te observeren, maar ook de zwaartekracht. En dan tegelijk. Voor haar promotie bestudeert Dupont de achterliggende theorie van deze experimenten. Dat ze meedraait in het lab is uniek, zegt ze. ‘Er zijn hier nog nooit eerder fulltime theoretici geweest. Meestal blijven die in hun eigen bubbel zitten. Nu maak ik mee hoe het écht gaat, en dat maakt mij hopelijk een betere theoreet.’

Met pen en blocnote in de hand legt ze uit: ‘Er bestaan twee theorieën over het universum, namelijk de kwantummechanica en de zwaartekrachttheorie. Die werken op totaal andere schalen.’ De ene passen natuurkundigen toe op atoomniveau, de andere op planeten en groter. ‘Maar wat we niet goed weten, is of deze theorieën op menselijke schaal samen zouden kunnen werken.’

Verdeelde meningen

De combinatie van deze twee theorieën heet ‘kwantumzwaartekracht’. Dupont: ‘De meningen zijn nog heel verdeeld over wat dat precies is. Wij verkennen met onze opstellingen de verschillende theorieën.’ Om dat te doen, willen ze de zwaartekracht en kwantummechanica naar elkaar toe manipuleren. De zwaartekracht moet dan naar steeds kleinere afmetingen, en kwantummechanica naar steeds grotere.

Het einddoel is nog niet behaald, maar de onderzoekers voeren al opmerkelijke proeven uit: ‘We werken aan apparatuur om objecten van een paar micrometer in superpositie te brengen.’ Ter vergelijking: een mensenhaar is honderd micrometer dik. Dit is voor een mens minuscuul, maar het is grofweg een miljoen keer groter dan een atoom - een typische kwantumschaal. Uitenbroek heeft al mini-zwaartekracht kunnen detecteren: ‘We hebben gemeten dat een klompje van een halve milligram werd aangetrokken door de zwaartekracht van een blok van twee kilogram.’

Dagelijks prutsen en morrelen onderzoekers aan de opstellingen. ‘Je begint altijd met een aanpak van trial-and-error’, zegt promovendus Loek van Everdingen. En dat resulteert in error, vervolgt hij. ‘In de praktijk ben je meer bezig met de vraag “welk draadje is er nu kapot?” dan met de vraag wat kwantumzwaartekracht is. Na een tijdje wordt het onderzoek wat minder sexy.’ 

Hij vergelijkt zijn werk met dat van een loodgieter. De koeling wordt verzorgd door een kluwen van leidingen: ‘Die kunnen soms springen, en als dat na werktijd gebeurt, kan de hele nacht de boel overstromen.’ Dit water loopt gelukkig niet het lab in, maar stroomt naar de kelder - een ruimte zo groot als een paar klaslokalen samen. ‘Er stond hier een keer een laag van drie centimeter.’

‘hall of fame van mislukkingen’

Het hele lab moet dan meehelpen, met waterstofzuigers in de hand. ‘We hebben ooit 56 kliko’s vol water uit de kelder gepompt’, voegt promovendus Martijn Janse toe. Een bordje met 56 turfjes is te bewonderen in een glazen vitrine, die midden in het lab staat. ‘Dit is onze hall of fame van mislukkingen’, zegt van Everdingen. In het kastje liggen onder andere doorgebrande kabels en spoelen. Op een Delfts blauw tegeltje staat de wijsheid: 

Live
Laugh
Warmtegeleiding wordt beter als je geduld hebt

‘Je moet ook trots zijn op de dingen die fout gaan’, vindt Janse. ‘Bij de term natuurkunde denken mensen gauw aan de theoretische kant, waar alles precies uitkomt met formules. Maar als je naar het lab gaat, dan werkt er niks. De praktijk is altijd weerbarstiger.’

Het creëert een afweging tussen snelheid en robuustheid. ‘Als je er héél lang over doet om alles perfect te maken, kun je nooit meten’, zegt Dupont. Wat Janse betreft hoeven de opstellingen ook niet de schoonheidsprijs te winnen. ‘Het moet gewoon werken. We zijn geen Apple met esthetisch product design. Dat kost te veel tijd die we liever in de natuurkunde stoppen.’

Weinig glamour

De onderzoekers gaan er niet vanuit dat ze tijdens hun promotie nog kwantumzwaartekracht zullen meemaken. ‘Op dit moment moeten onze kwantumsystemen nog honderd miljard keer zo zwaar worden voordat we hun zwaartekracht kunnen meten. Dat zal pas over zo’n dertig jaar zijn’, aldus Dupont.

Dat geduld heeft niet iedereen, vertelt hoogleraar Tjerk Oosterkamp. ‘Mensen worden soms heel ongelukkig van het uitblijven van resultaten. Soms kapt een promovendus er in het laatste jaar mee. Ik heb dat wel twee keer meegemaakt.’ Als er iemand komt solliciteren, benadrukt hij altijd dat de glamour ver te zoeken is. ‘Er zijn zat mensen die hier willen promoveren, en die na mijn waarschuwing zeggen: “Toch maar niet.” José heb ik te laat gewaarschuwd geloof ik.’ Ze stelt hem gerust: ‘Ik lach nog.’

Voor Janse is zo’n uitgestrekt project zelfs een verademing. ‘Ik vind het een hoopvolle gedachte dat we in de wetenschap nog durven te dromen op de lange termijn, juist in een tijd waarin alles alsmaar sneller gaat en de gemiddelde spanningsboog een filmpje op Tiktok is. Dit soort projecten brengt de wetenschap echt verder.’