Werken in het lab, vanuit huis

‘Zodra de lockdown in maart begon, ben ik met mijn studenten om tafel gegaan om de mogelijkheden te verkennen’, herinnert Jaime Gómez Rivas zich. ‘Ik werk aan een technische universiteit: we leiden ingenieurs op. Voor onze studenten is het geen optie om alleen theorie te doen, ze moeten praktijkervaring opdoen door zelf experimenten uit te voeren.’

De Spaanse natuurkundige raakte geïnspireerd door een uitvinding van de afdeling Werktuigbouwkunde van zijn universiteit. ‘Als we in staat zijn om een ​​operatierobot te bouwen die je op afstand via internet kunt besturen, en die operaties kan uitvoeren met een precisie van micrometers, dan zou het toch ook mogelijk moeten zijn om onze opstellingen op afstand aan te sturen?’

Zijn groep inventariseerde wat er nodig zou zijn om de opstellingen vanuit huis te bedienen. ‘Aangezien de meeste van onze experimenten computergestuurd zijn, bleek de transformatie redelijk eenvoudig.’ Een crowdfunding-initiatief werd opgestart om de benodigde fondsen te werven, en de TU/e-organisatie Euflex BV / Technificent bood aan een ​​deel van de kosten te dekken. Vijf van de opstellingen zijn de afgelopen maanden op afstand bestuurbaar gemaakt. Binnenkort volgen er nog vijf.

Interactie tussen licht en materie

Het onderzoek in de Surface Photonics-groep die Gómez Rivas leidt binnen de capaciteitsgroep Photonics and Semiconductor Nanophysics van de faculteit Applied Physics van de TU/e is gericht op het bereiken van een sterke koppeling tussen licht en materiaal, legt hij uit.

‘We bestuderen de koppeling van deeltjes in halfgeleiders, excitonen genaamd, aan lichtdeeltjes. Lichtdeeltjes, of fotonen, hebben geen massa. Hierdoor kunnen ze gemakkelijk door het materiaal heen worden getransporteerd. De zogeheten excitonen die de elektrische ladingen dragen, zijn minder mobiel. Onze gekoppelde exciton-polaritonen combineren de eigenschappen van fotonen en excitonen, en stellen ons in staat om de elektrische ladingen over grotere afstanden te transporteren. Dat principe kun je gebruiken om bijvoorbeeld de efficiëntie van zonnecellen te verhogen.’

Om deze sterke koppeling tussen licht en materie te bereiken, plaatst Gómez Rivas nanostructuren op een rooster om open holtes te creëren die het licht naar binnen en naar buiten laten. Met behulp van geavanceerde (nano-)fotonische technieken onderzoekt hij hoe je deze structuren zo kunt ontwerpen dat je een optimale koppeling krijgt.

Gestart met tijdrovende metingen

‘Onze eerste experimenten op afstand zijn gedaan met een near-field terahertz-microscoop die is ontwikkeld door promovendus Niels van Hoof. We gebruiken deze microscoop voor tijdrovende metingen, waarbij de microscoop langs een oppervlak scant. Direct nadat de lockdown was begonnen, vroeg Niels of hij zijn opstelling aan mocht laten staan. Aangezien de metingen geen veiligheidsrisico’s opleverden, was dat geen probleem. De enige reden waarom iemand fysiek in het lab moet zijn, is om een sample te verwisselen. Toen realiseerden we ons dat hetzelfde geldt voor andere opstellingen. Dat betekent dat als al onze opstellingen op afstand worden bestuurd, we maar één persoon in het lab nodig hebben. En deze ene persoon kan dan twintig vanuit huis werkende collega’s ondersteunen.’

Om te voldoen aan de behoefte van de onderzoekers om te zien of door hen via hun computer aangebrachte aanpassingen, zoals het roteren van een polarisator of veranderingen in de posities van spiegels, ook daadwerkelijk gebeuren, is een Youtube Live-kanaal opgezet. Op die manier kunnen de onderzoekers vanuit huis een oogje houden op de opstellingen.

Remote lab voor de toekomst

Naast het feit dat het experimentele onderzoek niet meer stil hoeft te liggen in lockdown-situaties, heeft experimenteren op afstand ook grote andere voordelen, bepleit Gómez Rivas. ‘Allereerst blijkt bij optische metingen de kwaliteit van de experimenten juist hoger te zijn als we ze vanuit huis doen. Voor deze metingen is het in het ideale geval aardedonker. Elke keer dat iemand het lab binnenkomt, kan er ongewenst strooilicht binnenkomen. Ook is de temperatuur in het lab stabieler als er geen deuren open en dicht gaan. Dit verhoogt de signaal-ruisverhouding, wat mooi wordt weergegeven in de eerste publicatie die we op basis van metingen op afstand gaan indienen.’

Op afstand bestuurde experimenten kunnen ook de efficiëntie verbeteren, voegt hij eraan toe. ‘We werken samen met een groep in Japan. Af en toe vliegt een delegatie van hun medewerkers en studenten hierheen om experimenten te doen. Het is veel tijdefficiënter als ze dat vanuit Japan kunnen doen. En het is ook nog eens milieuvriendelijker.’ Een laatste argument betreft het gebruik van de apparatuur. ‘Als het hele lab op afstand wordt bediend, kan de apparatuur de klok rond worden gebruikt door teams van mensen die in verschillende tijdzones wonen.’

Hoewel dit initiatief begon vanwege het sluiten van labs als gevolg van COVID-19, is Gómez Rivas ervan overtuigd dat toegang op afstand dè ontwikkeling is voor de toekomst van het experimentele onderzoek. Hij concludeert: ‘Soms heb je een crisis nodig om je huidige werkwijze te heroverwegen en ten goede te veranderen.’

Bron: NWO, resultaat uit Vici en IPP-programma