(Dit artikel is eerder verschenen in de NVOX quantum special, april 2024)
Docenten geven ons geregeld aan dat ze het moeilijk vinden om het domein Quantumwereld aanschouwelijk en inzichtelijk te maken. Ze zijn op zoek naar pakkende experimenten die behapbaar zijn, en tegelijkertijd de interesse van de leerling wekken. Proeven waarmee kwantitatief onderzoek gedaan kan worden, maar die wel binnen het budget van de school passen. Bovendien willen docenten graag dat het ‘echt quantum’ is. Een geschikt experiment aanbieden is dus geen geringe opdracht! Want hoe maak je elektronspin toonbaar, verstrengel je fotonen of verzend je een geheime boodschap die niet te kraken is?
Quantumuitje
Om in deze behoefte te voorzien zijn bij diverse universiteiten quantum education labs (QLabs) opgezet. Leerlingen kunnen daar op locatie kennismaken met experimenten die op school niet zo snel voor handen zullen zijn. Dat kan als uitje voor de hele klas of in kleine groepen voor bijvoorbeeld profielwerkstukken. De QLabs ontwikkelen bovendien didactische leerlijnen bij de experimenten. Het gezamenlijk doel is om leerlingen zelf aan de slag laten gaan met quantum. Pas als je een effect met eigen ogen ziet en zelf aan de knoppen draait, begrijp je écht wat er achter een quantumconcept of -formule schuilgaat. De locaties wisselen ervaringen en materialen uit, maar kiezen elk hun eigen accenten. De verschillende QLabs stellen zich hieronder voor.
Quantum Rules! in Leiden
Sinds 2018 verwelkomt het QLab ‘Quantum Rules!’ 6-vwo leerlingen in Leiden. Inmiddels komen per jaar ruim dertig schoolklassen van binnen en buiten de regio hun quantum- kennis versterken bij het Huygenslaboratorium.
Michiel Thijssen legt uit hoe zo’n dagje quantum in Leiden eruitziet: “In de ochtend worden leerlingen in groepen verdeeld over twaalf verschillende expe- rimenten. De lunch combineren we met een bezoek aan een onderzoekslab en/of een lezing door een student. ’s Middags ontdekken de leerlingen met een serious game dat de kennis die ze in de ochtend hebben opgedaan te herkennen is in hun dagelijks leven. Ze hebben een uur om vijf puzzelvragen op te lossen. Daarbij is samenwerking essentieel. Als de klas goed samenwerkt hangt de ‘game wall’ razendsnel vol met afbeeldingen, spectra en grafieken. Aan het eind bespreken we het gezamenlijke resultaat. Het is machtig om te zien hoe een klas ineens als groep opereert om een zo hoog mogelijke score te behalen!”
De leerlingen gaan met een trots gevoel weer naar huis. Dat blijkt ook uit recent onderzoek naar het effect van Quantum Rules! door een masterstudent wetenschapscommunicatie: na een dag in het Quantum Rules! lab hebben de leerlingen een positievere houding ten opzichte van het onderwerp quantum dan Tunneling wordt onderzocht met een laser en beam splitter daarvoor. Ze gaan bovendien extra voorbereid hun schoolexamen en het eindexamen in. Eerder was al vastgesteld dat negatieve percepties over quantumfysica en -technologie afnemen.
“Het belangrijkste vind ik dat leerlingen de kern van quantum meekrijgen. Als de syllabus verandert, passen wij het aanbod daarom aan. Zo ontwikkel ik een opstelling om het bestaan van elektronspin zichtbaar te maken.”
- Michiel
Quantum Ready! in Delft
Het QLab Delft biedt een mix van traditionele en meer moderne opstellingen. Leerlingen kunnen er het atoommodel van Bohr controleren, en een state-of-the-art quantumsensor afstellen om met grote gevoeligheid magnetische velden te meten. Een speciale focus ligt daarbij op het ondersteunen van de NLT-modules ‘Kansen met Quantum’ (vwo) en ‘Quantum Ready!’ (havo). Silvester Infante Ferreira en Rutger Ockhorst ontwikkelen hiervoor een practicumleerlijn.
Rutger: “Naast vwo-leerlingen willen we graag havo-leerlingen kennis laten maken met de quantumwereld. Quantumbedrijven staan te springen om gemotiveerde hbo-technici met kennis van quantum. We zien voldoende kansen in het havo-curriculum. Zo kent havo een keuzeonderwerp optica. Dat zou ook quantumoptica kunnen zijn.”
“Om een quantumexperiment te doorgronden is ook klassieke natuurkunde nodig. Een verschijnsel als gefrustreerde totale inwendige reflectie kun je ook uitleggen als quantumtunneling.”
- Silvester
Rutger: “Zo zijn er meer koppelingen te ma- ken. In de wiskundeles leren ze over statistiek. In ons lab kun je de statistiek waarmee licht- bronnen fotonen uitzenden onderzoeken.” Het QLab Delft biedt op dit moment vooral begeleiding bij profielwerkstukken. Populaire thema’s zijn het noorderlicht en cryptografie. Er is ook een leerlijn in de maak rond magnetisme. Vanaf schooljaar 2025-2026 kan het QLab ook hele klassen ontvangen, net zoals in Leiden.
Qlab Twente
Het QLab van de Universtiteit Twente organiseert quantumworkshops voor hele klassen. Carolien Swart-Castenmiller: “We beginnen graag met een demonstratiepracticum, zoals het beroemde dubbelspleetexperiment met enkele fotonen. Voor ieder foton dat de detector raakt hoor je een tik. Als er door een kier daglicht op de detector valt geeft dat een oorverdovend lawaai! Dan realiseren leerlingen zich plots dat daglicht uit een enorme hoeveelheid fotonen bestaat.” Daarna gaan de leerlingen zelf aan de slag met experimenten die aansluiten op het curriculum van de middelbare school. Voorbeelden zijn het bepalen van de constante van Planck en het analyseren van het waterstofspectrum. Extra smaak wordt toegevoegd met een rondleiding door het Nanolab of met het spelen van quantum games. Caroliens favoriete experiment illustreert het ‘deeltje-in-een-doosje’-model met kleurstoffen.
“Het is vaak de eerste keer dat leerlingen een toepassing van dit model zien. Het experiment prikkelt hun nieuwsgierigheid. Laatst wilde een leerling zijn limonade onderzoeken met de spectrometer. Dan weet je dat je iemand enthousiast hebt gemaakt voor natuurkunde!”
Het QLab Twente bevat ook complexere experimenten die geschikt zijn voor profielwerkstukken. Zo kunnen leerlingen zich verdiepen in quantumcryptografie, quantumcomputing of verstrengeling. “Het CHSH-experiment, waarmee wordt aangetoond dat fotonen verstrengeld zijn, is favoriet”, vertelt Carolien. “Maar we hebben ook een opstelling waarmee qubits gemanipuleerd kunnen worden. Het zijn unieke mogelijkheden om echt hands-on met quantummechanica aan de slag te gaan.”
QLab in Utrecht
Bij het QLab van de Universiteit Utrecht kunnen leerlingen aan de slag met complexere quantum-experimenten die op hun eigen school niet beschikbaar zijn. Denk hierbij aan elektronendiffractie en atomen bekijken met een ‘Scanning Tunneling Microscoop’ (STM). Nadine van der Heijden, coördinator van het QLab practicum in Utrecht: “Voorafgaand kiezen leerlingen het experiment dat ze willen doen en bereiden ze zich goed voor, zodat ze hier meteen aan de slag kunnen.” Onder begeleiding van hun docent en een practicum assistent stellen de leerlingen in twee uur de onderzoeksvraag en het meetprotocol op en verzamelen ze data. Hierbij hebben de docenten de regie over de leerdoelen.
Nadines favoriete experiment is de STM. Het bijzondere aan dit apparaat is dat het bij kamertemperatuur atomaire resolutie kan halen. “Het blijft indrukwekkend om met zo’n compacte opstelling atomen te kunnen zien”, zegt ze. “De werking van zo’n instrument fascineert leerlingen enorm.”
Voor profielwerkstukken kunnen experimenten worden aangepast of uitgebreid. Nadine legt uit: “We denken graag met de leerlingen mee. Zo kan de STM worden aangepast om verschillende soorten materialen te onderzoeken. Vaak combineren leerlingen experimenten met andere onderwerpen, zoals Balmerlijnen bij een werkstuk over sterrenkunde of muonmetingen voor een project over deeltjesfysica.”
Tot slot
Het aanbod van de verschillende QLabs is te vinden op www.quantumeducatie.nl. Via deze website kun je ook in contact komen met een QLab bij jou in de buurt om een klassenbezoek te plannen. Ook leerlingen die een quantumexperiment willen doen voor hun profielwerkstuk zijn van harte uitgenodigd om contact op te nemen. Docenten (in opleiding) zijn welkom voor bij- of nascholing.
