‘Muziek is m’n geliefde metafoor’
De fundamentele ontdekking die Anne L’Huillier de Nobelprijs opleverde, heeft onverwacht een toepassing gevonden bij chipmachinemaker ASML.
Voor een afgeladen zaal bij het ASML in Veldhoven, producent van lithografiesystemen voor computerchips, staat een licht vermoeide Française, die verontschuldigend mompelt als ze hannest met haar presentatie: de volgende slide weigert tevoorschijn te komen.
Als de presentatie eenmaal loopt, vertelt Anne L’Huillier met zachte stem en enthousiast over de ontdekking, al ingezet in de jaren tachtig, die haar vorig jaar de Nobelprijs voor Natuurkunde opleverde. Het gaat om het creëren van ultrakorte pulsen laserlicht, gemeten in attoseconden, ofwel triljoensten van seconden. Dat is best kort: er zitten ongeveer evenveel attoseconden in een seconde als seconden in de leeftijd van het heelal.
Nu pas, ruim drie decennia later, leidt deze vinding tot toepassingen, waaronder methoden om computerchips nog tijdens de fabricage op kwaliteit te controleren. Dat is dan ook de reden dat L’Huillier in Veldhoven is uitgenodigd door de ASML-onderzoeksgroep met wie ze sinds 2016 samenwerkt.
L’Huillier is de vijfde vrouw die de Nobelprijs voor Natuurkundes won, en dat is haar niet in de koude kleren gaan zitten, vertelt ze. „Mijn agenda is al helemaal vol voor 2024, en 2025 begint ook vol te lopen. Lezingen, presentaties, interviews. Ik kom niet meer aan onderzoek toe”, zegt ze. Toch wil ze niet klagen. „Ik vind dat ik het moet doen. Het kan mensen, meisjes bijvoorbeeld, inspireren voor de wetenschap. Maar hopelijk wordt het wel wat minder als in oktober de volgende Nobelprijs wordt aangekondigd.”
Het begon allemaal met een experiment dat op de keper beschouwd mislukte. Het idee was om edelgas-atomen, bijvoorbeeld argon, aan het fluoresceren te krijgen door er intens laserlicht op te schijnen. Fluorescentie is het proces waarmee witte T-shirts onder uv-licht oplichten: het invallende licht geeft elektronen in de stof een tijdelijke energie-boost, waarna ze terugvallen, en daarbij ook licht uitzenden.
„Maar we vonden helemaal geen fluorescentie”, zegt L’Huillier, die toen bij het Centre d’Energie Atomique (CEA) in Parijs werkte. In plaats daarvan rolde er een verrassing uit het experiment: het laserlicht dat het edelgas inging, kwam er aan de andere kant weer uit in tientallen andere gedaantes: harmonischen.
„Het is als de harmonischen in de klank van een muziekinstrument, bijvoorbeeld een viool”, legt L’Huillier uit. Ze gebruikt graag muziekmetaforen, vertelt ze, „omdat mijn zoon musicus is, maar ook omdat het goede vergelijkingen zijn.”
Een toon heeft een basisfrequentie, bijvoorbeeld 440 Hertz voor een A, maar daar daarbovenop komen veelvouden van 880, 1320 Hertz. Het zijn die harmonischen die de toon zijn klankkleur geven. In L’Huilliers experiment doken ze onverwacht op bovenop de basisfrequentie van de inkomende laserlicht. „We zagen een mooie reeks harmonischen, tot aan nummer 31 toe, terwijl je juist zou verwachten dat ze snel zwakker zouden worden.”
Koppig
De jonge L’Huillier beet zich vast in het onderwerp. „Ik vond het fascinerend, er was zoveel dat we niet begrepen. Voor een jonge onderzoeker was het een geweldig nieuw veld om te betreden.” Ook al raadden haar begeleiders het haar af, „met goede redenen: het was riskant. Maar ik was koppig. Ik was er gewoon nog niet klaar mee.”
In de decennia erna werd het verschijnsel beter begrepen, onder andere door experimenten van de onderzoeksgroep van L’Huillier, die ook bijdroeg aan de theoretische verklaring. Elektronen zitten normaal gesproken tamelijk vastgeklonken in hun edelgasatoom, als een knikker in een putje. Maar een sterk, snel wisselend elektrisch veld – en dat is wat een laserstraal is – doet het putje razendsnel kantelen. Daardoor rolt het elektron soms tijdelijk uit het putje, om meteen weer terug te rollen, omdat het elektrisch veld inmiddels van richting gedraaid is. Het inen-uit-klotsende elektron wekt zijn eigen licht op, vervormd ten opzichte van het oorspronkelijke inkomende laserlicht. Die vervorming levert harmonischen op: laserlicht met hogere frequenties.
Een volgende uitdaging was om de harmonischen van miljarden atomen met elkaar in fase te krijgen. L’Huillier: „Vergelijk het met een orkest, waarbij alle muzikanten in de maat moeten spelen.”
In 2001 lukte dat de groep van L’Huillier, inmiddels gevestigd aan de universiteit van het Zweedse Lund. „Ze hadden had me eerst gevraagd om daar een voordracht te komen geven, en toen vroegen ze meteen ook of ik mijn apparatuur mee kon nemen voor een paar experimenten.” De samenwerking werd permanent, en breidde zich verder uit toen L’Huillier trouwde met collega-onderzoeker ClaesGöran Wahlström.
De in de maat lopende harmonischen waren de sleutel tot de attosecondenpulsen: de verschillende harmonischen tellen dan op tot extreem korte pulsjes laserlicht, gemeten in honderden attoseconden, korter dan bereikbaar was met enige andere techniek.
L’Huillier: „Dat was begin deze eeuw. En nu is er weer veel te doen in dit gebied, omdat nu allerlei toepassingen op gang komen. Je kunt de attosecondenpulsen gebruiken als een soort fotografisch flitslicht, om extreem snelle bewegingen van elektronen in moleculen te volgen. Dat is een compleet nieuw onderzoeksgebied.”
Een andere toepassing is de reden dat L’Huillier met veel égards ontvangen wordt bij ASML. „De kleinste details op chips worden inmiddels gemeten in nanometers”, heeft Maarten Voncken, directeur onderzoek van ASML, even vóór het gesprek uitgelegd. „Nog tijdens de fabricage wil je die controleren, maar dat gaat niet met gewoon licht. De golflengte is te groot om zulke details te zien.”
De harmonischen van L’Huillier bieden een manier om het extreme uv-licht (XUV) op te wekken met de vereiste intensiteit. „We werken hier al sinds 2016 aan, maar verwachten het pas over vijf tot tien jaar in onze machines toe te passen”, verwacht Voncken.
De samenwerking met een bedrijf was een onverwachte stap voor L’Huillier. „Ik was eerst heel sceptisch. Omdat het mijn eerste contact was met een industriepartner, maar ook over wat ze van plan waren. Ik dacht dat ze prestaties eisten die we niet konden waarmaken. Maar dat is heel goed uitgepakt. ASML levert een beetje onderzoeksfinanciering, maar ze hebben ons vooral aangemoedigd om veeleisender te zijn over de kwaliteit en de instelbaarheid van onze lichtbron. Dat heeft oplossingen en resultaten opgeleverd die ik niet verwacht had.”
Het begon allemaal met een experiment dat, op de keper beschouwd, mislukt was