Kwantumelektronenmicroscopie: kijken naar atomen zonder ze kapot te maken

Bijgewerkt: 13 september 2026 · 6 min leestijd

Stel je voor dat je een sneeuwvlok wilt bekijken onder een sterke lamp, maar de warmte van die lamp de sneeuwvlok meteen laat smelten voordat je goed hebt kunnen kijken. Dat is ongeveer het probleem waar onderzoekers tegenaan lopen bij het bestuderen van kwetsbare biologische moleculen zoals eiwitten en virussen met een elektronenmicroscoop: de elektronenbundel die nodig is om iets te zien, beschadigt vaak precies datgene wat je wilt bekijken. Kwantumelektronenmicroscopie is een onderzoeksrichting die probeert dit dilemma op te lossen door gebruik te maken van eigenaardige eigenschappen van de kwantummechanica, de natuurkunde die geldt op het niveau van atomen en deeltjes.

Het idee klinkt bijna paradoxaal: kun je iets "zien" zonder dat je het echt raakt? In de kwantumwereld is dat, onder voorwaarden, inderdaad mogelijk. Net zoals je aan de rimpelingen in het water kunt zien dat er een steen ligt zonder de steen zelf aan te raken, proberen onderzoekers elektronen zo te gebruiken dat ze informatie over een monster oppikken via hun golfeigenschappen, in plaats van er letterlijk energie in af te vuren. Dat is nog grotendeels toekomstmuziek, maar de bouwstenen ervoor worden nu in laboratoria wereldwijd onderzocht.

Wat is het precies?

Een gewone elektronenmicroscoop werkt net als een lichtmicroscoop, maar dan met elektronen in plaats van lichtdeeltjes (fotonen). Elektronen hebben, als je ze als golf beschouwt, een veel kortere golflengte dan zichtbaar licht. Hoe korter de golflengte, hoe kleinere details je kunt onderscheiden. Daarom kunnen elektronenmicroscopen individuele atomen zichtbaar maken, iets wat met een lichtmicroscoop onmogelijk is.

Het probleem is dat elektronen ook deeltjes zijn met energie, en die energie moet ergens blijven wanneer een elektron door een monster schiet. Bij metalen of harde materialen is dat meestal geen probleem, maar bij zachte, biologische structuren zoals eiwitten kan een elektronenbundel chemische bindingen breken en het monster onherstelbaar beschadigen voordat er een scherp beeld is ontstaan. Onderzoekers noemen dit stralingsschade.

Een bestaande deeloplossing heet cryo-elektronenmicroscopie, kortweg cryo-EM: het monster wordt razendsnel ingevroren en er wordt met een zo laag mogelijke dosis elektronen gewerkt, waarna duizenden bijna identieke opnames van verschillende moleculen digitaal worden gemiddeld tot één scherp beeld. Dat werkt goed, maar blijft een compromis: met meer elektronen zou je scherpere individuele beelden krijgen, maar dan gaat het monster eerder kapot.

Kwantumelektronenmicroscopie gaat een stap verder en probeert het principe van de meting zelf te veranderen. De inspiratie komt uit de kwantumoptica, waar natuurkundigen al decennia experimenteren met zogenoemde interactievrije metingen. Het bekendste gedachte-experiment hierachter is de "bommentester" van Elitzur en Vaidman: door een lichtdeeltje via een interferometer (een opstelling die een golf in twee paden splitst en daarna weer laat samenkomen) te sturen, kun je in sommige gevallen detecteren dat er een voorwerp in één van de paden ligt, zonder dat het lichtdeeltje dat pad daadwerkelijk neemt. Onderzoekers als Pieter Kruit hebben voorgesteld eenzelfde soort truc met elektronen te doen, gecombineerd met het kwantum Zeno-effect, waarbij herhaalde, zeer zwakke metingen een systeem als het ware "bevriezen" in een bepaalde toestand. Het resultaat zou een microscoop moeten zijn die met veel minder energieoverdracht per elektron toch scherpe beelden oplevert.

Wat wil men ermee bereiken?

Het hoofddoel is simpel te formuleren, ook al is de uitvoering complex: onderzoekers willen atomaire details zichtbaar maken van monsters die te kwetsbaar zijn om met de huidige technieken lang genoeg heel te blijven. Denk aan individuele eiwitmoleculen, virusdeeltjes of nieuwe kwantummaterialen die al bij lichte verstoring hun eigenschappen verliezen.

Een tweede ambitie is het verminderen van de hoeveelheid materiaal die nodig is voor een onderzoek. Omdat cryo-EM afhankelijk is van het middelen van duizenden kopieën van hetzelfde molecuul, is er relatief veel zuiver materiaal nodig en blijft zeldzame of moeilijk te kweken eiwitten lastig te onderzoeken. Een techniek die één enkel molecuul scherp in beeld kan brengen zonder het te vernietigen, zou dat obstakel wegnemen.

Daarnaast hopen natuurkundigen dat kwantumtechnieken, gecombineerd met ultrakorte elektronenpulsen, ook inzicht geven in extreem snelle processen: hoe elektronen zich binnen een fractie van een biljoenste seconde door een materiaal bewegen. Dat raakt aan de ontwikkeling van nieuwe elektronica en kwantumcomputers, waar dit soort dynamica direct relevant is.

Voorbeelden uit de praktijk

Het veld bestaat uit een mix van theoretische voorstellen en voorzichtige experimentele stappen. Enkele mijlpalen:

Pieter Kruit en collega's (TU Delft, rond 2016) publiceerden een gedetailleerd technisch ontwerp voor wat zij een "kwantumelektronenmicroscoop" noemden, in het vakblad Ultramicroscopy. Het is vooralsnog een theoretisch blauwdruk, geen werkend apparaat.
William Putnam en Mehmet Yanik (MIT, rond 2009) deden een van de eerste theoretische voorstellen om interactievrije metingen met elektronen te combineren, geïnspireerd op de eerdergenoemde bommentester uit de kwantumoptica.
Akira Tonomura (Hitachi, jaren tachtig) bouwde geen kwantumelektronenmicroscoop, maar legde er wel een belangrijke bouwsteen voor: met een elektronen-interferometer, opgebouwd rond een zogeheten elektronen-biprisma, toonde hij experimenteel het Aharonov-Bohm-effect aan, een kwantumverschijnsel waarbij elektronengolven worden beïnvloed door een magnetisch veld dat ze fysiek niet doorkruisen. Deze elektronenholografie-technieken worden nog altijd gebruikt en verder ontwikkeld.
De groep van Claus Ropers (Universiteit Göttingen / Max Planck-instituten) onderzoekt de afgelopen jaren hoe vrije elektronen op een kwantummechanisch gecontroleerde manier kunnen worden gekoppeld aan lichtpulsen, onder meer via een techniek die bekendstaat als PINEM (photon-induced near-field electron microscopy). Dit soort experimenten test de kwantumeigenschappen van elektronenbundels die uiteindelijk nodig zijn voor een werkende kwantumelektronenmicroscoop.
Ultrasnelle elektronenmicroscopie, ontwikkeld vanuit het werk van Ahmed Zewail (Caltech, Nobelprijs Scheikunde 1999) en voortgezet door onder meer Fabrizio Carbone (EPFL), gebruikt extreem korte elektronenpulsen om processen in materialen in slow motion te volgen. Dit is niet hetzelfde als een kwantumelektronenmicroscoop, maar deelt veel van de onderliggende elektronenoptica en wordt vaak in één adem genoemd als aanpalend onderzoeksterrein.

Hoe ver is de techniek?

Eerlijkheidshalve: een echte, werkende kwantumelektronenmicroscoop bestaat vandaag de dag nog niet. Het veld bevindt zich grotendeels op het niveau van theoretische ontwerpen en losse experimentele bouwstenen, niet op het niveau van een compleet apparaat dat in een laboratorium op tafel staat.

De dichtstbijzijnde praktische techniek die vandaag daadwerkelijk wordt gebruikt, is cryo-EM, waarvoor Jacques Dubochet, Joachim Frank en Richard Henderson in 2017 de Nobelprijs Scheikunde kregen. Die techniek is echter klassiek: ze verlaagt de dosis en middelt beelden, maar maakt geen gebruik van kwantumeffecten zoals interactievrije meting.

De technische obstakels voor een echte kwantumelektronenmicroscoop zijn aanzienlijk. Er zijn zeer coherente elektronenbronnen nodig, waarbij de elektronengolven netjes in de pas lopen, plus detectoren die individuele elektronen met hoge betrouwbaarheid kunnen registreren. Bovendien is het hele systeem extreem gevoelig voor decoherentie: trillingen, stooivelden of zelfs warmtestraling in de omgeving kunnen de kwantumtoestand van de elektronen verstoren voordat de meting is afgerond. Elke praktische opstelling moet dus met grote precisie worden afgeschermd en gestabiliseerd.

Vooruitgang gaat gestaag maar langzaam. De afgelopen tien à vijftien jaar is er duidelijk meer geleerd over hoe je vrije elektronen kwantummechanisch kunt manipuleren, maar de stap naar een compleet werkend beeldvormend instrument voor bijvoorbeeld eiwitten wordt door onderzoekers zelf voorzichtig ingeschat op nog vele jaren, mogelijk decennia.

Wie werken eraan?

Het onderzoek is verspreid over een klein aantal gespecialiseerde groepen. In Nederland is de groep van Pieter Kruit aan de TU Delft, verbonden aan het Kavli Institute of Nanoscience, een van de pioniers van het theoretische ontwerp. In de Verenigde Staten heeft MIT bijgedragen aan vroege voorstellen rond interactievrije meting, en bouwt Caltech voort op de erfenis van Ahmed Zewails ultrasnelle elektronenmicroscopie.

In Duitsland is de Universiteit Göttingen, samen met omliggende Max Planck-instituten, een belangrijk centrum voor onderzoek naar de kwantumoptica van vrije elektronen, onder leiding van onder anderen Claus Ropers. In Zwitserland werkt de groep van Fabrizio Carbone aan de EPFL aan verwante ultrasnelle elektronentechnieken.

Op instrumenteel vlak spelen fabrikanten van elektronenmicroscopen zoals Hitachi (met een lange traditie in elektronenholografie dankzij het werk van Tonomura), Thermo Fisher Scientific en JEOL een rol als leveranciers van de basisapparatuur waarop dit soort experimentele opstellingen wordt gebouwd. Financiering komt doorgaans van nationale wetenschapsfondsen en Europese onderzoeksprogramma's, aangezien dit fundamenteel onderzoek is zonder directe commerciële toepassing op korte termijn.