FOM-Jaarboek Colofon

jaarboek 2007

FOM-Jaarboek 2007

Colofon Uitgave van de Stichting voor Fundamenteel Onderzoek der Materie (FOM) Postbus 3021 3502 GA Utrecht Telefoon (030) 600 12 11 Fax (030) 601 44 06 E-mail [email protected] Internet http://www.fom.nl Redactie: drs. Huub Eggen Interviews: drs. Mariette Huisjes Fotografie: Nout Steenkamp / FMAX e.a. Vormgeving en productie: Badoux Drukkerij bv, Houten Gedrukt op: Propoff (FSC-kwaliteit) Uitgave maart 2008 Oplage 1700 exemplaren

2 FOM-Jaarboek 2007

Inhoud FOM in kengetallen Voorwoord

4

5

Rapportage realisatie strategisch beleid

7

Hoofdstuk 1

Intermezzo

30

Hoogtepunten uit het onderzoek

35

Hoofdstuk 2

Intermezzo

84

Intermezzo

100

Intermezzo

116

FOM in feiten en cijfers

121

Hoofdstuk 3

Bijlagen

137

1. FOM-werkgroepen 2. Lijst van afkortingen

3 FOM-Jaarboek 207

FOM-Jaarboek 2007

Kengetallen FOM in 2007

Mensen in FOM (in gerealiseerde fte)

89

vaste wetenschappelijke staf

109

postdocs

333

oio’s

313

ondersteunend personeel

844

FOM-totaal

KVI RuG

SAF/NIKHEF AMOLF VU

UvA

UT

LEI

UU

RIJNHUIZEN TUD

WUR

EUR

RU

Geld in FOM TU/e

Organisatie van het onderzoek 4 164 52

instituten werkgroepen bij universiteiten Vrije FOM-programma’s

12

Industrial Partnership Programmes

120

projecten in de FOM-projectruimte

4 FOM-Jaarboek 2007

e

Totaal op activiteitenniveau 81,8 miljoen euro

Output FOM 97 1156

proefschriften wetenschappelijke publicaties

Voorwoord

‘FOM is terug’ kopte het blad Onderzoek Nederland op 22 november 2007. Aanleiding was ons persbericht over het honoreren van zes grote nieuwe FOM-programma’s, met een totaalbudget van ruim 18 miljoen euro. De honoreringen waren het resultaat van de eerste ronde voor nieuwe FOM-programma’s nadat wij ons programmaloket om financiële redenen enkele jaren geleden hadden moeten sluiten. Het loket ging eind 2006 weer open, met 1 maart 2007 als deadline voor het indienen van vooraanmeldingen. Op die dag zaten er liefst 26 ideeën voor nieuwe onderzoeksprogramma’s in onze brievenbus, over de meest uiteenlopende onderwerpen in de natuurkunde en gedragen door een keur aan gerenommeerde en excellente jonge onderzoekers. Nadat één vooraanmelding was teruggetrokken, konden de indieners van de overige 25 aanmeldingen op 3 april persoonlijk in Utrecht hun ideeën aan adviescommissies van FOM presenteren. Het werd een lange en vermoeiende maar uiterst boeiende dag. Op basis van de adviezen van de commissies en eigen kwaliteits- en beleidsmatige overwegingen selecteerde het Uitvoerend Bestuur van FOM op 12 juni tien vooraanmeldingen voor uitwerking tot volwaardige onderzoeksaanvragen. Die lieten we in de maanden daarna beoordelen door onafhankelijke buitenlandse deskundigen. Op basis van die oordelen en het weerwoord van de indieners erop besloot het bestuur op 13 november de zes best scorende aanvragen te honoreren. De gehonoreerde programma’s gaan allemaal over onderwerpen die ‘hot’ zijn

in de natuurkunde. In elk ervan bundelen onderzoekers van drie tot soms wel zeven kennisinstellingen hun krachten. Daarmee voldoen ze aan het doel dat FOM voor de nieuwe programma’s had geformuleerd: focus op een beperkte aantal wetenschappelijk uitdagende onderwerpen en breng onderzoeksgroepen bij elkaar (massa). Opvallend is de gemiddelde leeftijd van de programmaleiders: 40 jaar. Een nieuwe generatie leiders van onderzoek in de Nederlandse natuurkunde presenteert zich! Een dag na Onderzoek Nederland verscheen de langverwachte ‘Strategische agenda voor het hoger onderwijs, - onderzoek en wetenschapsbeleid’ van minister Plasterk. Het vervult ons met trots dat hij FOM het beste voorbeeld noemt van de mechanismen die binnen NWO zijn ontwikkeld om focus en massa aan te brengen in het fundamentele onderzoek. Echter, na de duidelijke boodschappen van onder andere de Kennisinvesteringsagenda (van het eerste Innovatieplatform) en het rapport van de Commissie Dynamisering zijn we teleurgesteld over de omvang en het tempo waarmee deze Strategisch agenda het onderzoek (extra) wil versterken. Terwijl het loket voor onze FOM-programma’s gesloten was, hadden we gelukkig wel middelen om ons nieuwe instrument IPP (Industrial Partnership Programmes) op poten te zetten. Daarin doen we met bedrijven gezamenlijk gefinancierd fundamenteel onderzoek aan onderwerpen

waar ook die bedrijven belang in zien. Zo verlegt dit onderzoek niet alleen de grenzen van de wetenschap, maar draagt het tegelijk bij aan versterking van de kennisbasis in Nederland voor mogelijke economische innovaties. De belangstelling van bedrijven om IPP’s aan te gaan blijft alsmaar groeien. In 2007 kregen vier nieuwe programma’s het groene licht en werd er nog één ander in de steigers gezet. Sinds het begin van de IPP’s zijn we in totaal al veertien van dit soort programma’s begonnen, waarbij de eerste overigens ook al weer zijn afgesloten. Enkele FOM-medewerkers en nauw bij onze organisatie betrokken onderzoekers ontvingen in 2007 eervolle prijzen en benoemingen in binnen- en buitenland, terwijl ons instituut SAF/NIKHEF door een internationaal panel van NWO als uitstekend werd beoordeeld. Gelet ook op de resultaten uit ons onderzoek die in dit jaarboek worden gepresenteerd is FOM al met al een organisatie om trots op te zijn. Ik dank iedereen binnen de FOM-organisatie voor alle inspanningen die tot ons succes leiden en onze financiers – en NWO in het bijzonder – voor de steun die ze ons verlenen.

Dr. Hans Chang directeur FOM maart 2008

5 FOM-Jaarboek 2007

h1 Realisatie strategisch beleid Hoofdstuk 1

7

FOM-Jaarboek 2007

Realisatie strategisch beleid

De missie van FOM is, zoals omschreven in haar statuten, “de bevordering in Nederland van het fundamenteel wetenschappelijk onderzoek der materie, inclusief het door mogelijke toepassingen geïnspireerde, in het algemeen belang en in dat van het Hoger Onderwijs”. Deze missie heeft FOM in haar vigerende Strategisch Plan 2004 – 2010 vertaald in twee hoofddoelen: • handhaving en versterking van de internationale topkwaliteit van het natuurkundig onderzoek in Nederland • meer fundamenteel onderzoek op die gebieden waar de kans op economische innovaties groot is. Dat de kwaliteit van het natuurkundig onderzoek in Nederland van topkwaliteit is, bleek ook in 2007 op basis van internationale analyses weer (zie verderop in dit hoofdstuk). FOM heeft het onderzoek in Nederland in 2007 een nieuwe impuls gegeven, doordat zij haar programmaloket weer open kon stellen, wat geleid heeft tot zes nieuwe FOM-programma’s op ‘hot topics’ in de natuurkunde, met een bundeling van krachten van een groot aantal fysici in Nederland en onder leiding van een nieuwe generatie vooraanstaande onderzoekers. Zo bouwt FOM, naast de rol die haar instituten en haar concentratie-

groep ‘Solid state quantum information processing’ vervullen, verder aan focus en massa in de Nederlandse natuurkunde. Aan het realiseren van de tweede doelstelling werkt FOM onder andere via haar instrument Industrial Partnership Programmes. Dit blijkt een succes, getuige het gestaag groeiende aantal van deze programma’s en het brede scala aan bedrijven en technologische instellingen dat bereid is in deze programma’s te participeren. Voor een efficiënte en effectieve realisatie van de beleidsdoelen is een geïntegreerde aansturing van het fysisch onderzoek bij het geheel van FOM-instituten én universitaire FOM-werkgroepen essentieel. Het is dankzij deze organisatievorm dat FOM in staat is – samen met het NWO-gebied Natuurkunde – vanuit een nationale regievoering zowel focussering op een beperkt aantal (thematische) programma’s tot stand te brengen, als de benodigde kritische massa te creëren die noodzakelijk is voor een internationaal succesvolle uitvoering. Toch kan en moet het ook beter. Om Nederland voor onderzoekers en bedrijven ook in de toekomst een aantrekkelijk

land te laten blijven, zodat kenniseconomie en kennissamenleving geen loze begrippen zijn, is meer geld voor onderzoek en voor het geschikt maken van onderzoeksresultaten naar toepassing dringend noodzakelijk. Iedereen lijkt van deze noodzaak doordrongen en daarom maakt FOM zich grote zorgen over de mate waarin overheid en politiek bereid blijken woorden in daden om te zetten. In november 2007 verscheen de ‘Strategische agenda voor hoger onderwijs, - onderzoek en wetenschapsbeleid’ van het nieuwe kabinet. Daarin wordt gereageerd op belangrijke documenten die al in 2006 verschenen: het Strategisch Plan 2007-2010 van NWO (‘Wetenschap gewaardeerd!’), het rapport van de Commissie Dynamisering (hoe de effectiviteit en efficiency van het onderzoek aan de Nederlandse universiteiten te verhogen) en de Kennisinvesteringsagenda van het eerste Innovatieplatform. Helaas komt de Strategisch agenda van het kabinet slechts mondjesmaat met extra geld over de brug. De natuurkunde en scheikunde in Nederland hebben in 2007 intussen een gezamenlijk actieplan opgesteld dat moet leiden tot een extra financiële injectie in deze twee vakgebieden. Besprekingen daarover met het ministerie van OCW waren eind 2007 nog niet afgerond.

Tabel 1. FOM-output

2003

2004

2005

2006

2007

Proefschriften Wetenschappelijke publicaties Voordrachten op uitnodiging Conferentiebijdragen e.d.

70 1119 778 2010

83 1230 889 1910

86 1341 1016 2031

100 1158 784 1510

97 1156 694 1507

8 Realisatie strategisch beleid

I Beleidsdoelstelling 1: Handhaven/versterken van kwaliteit De primaire doelstelling van FOM is onderzoek van internationale topkwaliteit te entameren, te selecteren en uit te voeren. Alleen topkwaliteit garandeert dat • Nederlandse deskundigen een relevante bijdrage aan de internationale kennisontwikkeling leveren, • ze kunnen profiteren van resultaten uit het beste onderzoek in het buitenland, • ze interessante partners voor collega’s elders zijn om mee samen te werken en • Nederland aantrekkelijk blijft voor onderzoekers en bedrijven die zich in een hoogwaardige kennisomgeving willen vestigen. Ter verkrijging en handhaving van de gewenste kwaliteit let FOM scherp op externe kwaliteitsindicatoren en bedient zij zich van interne en externe waarborgen.

Externe indicatoren Publicaties Wetenschappelijke publicaties in toonaangevende tijdschriften zijn bij uitstek graadmeters voor de kwaliteit van wetenschappelijk onderzoek. FOM-onderzoek leverde in 2007 1156 publicaties op (tabel 1). Daarvan verschenen er 10 in Nature en zes in Science en 103 in Physical Review Letters. Nynke Dekker (TUDelft) en collega’s haalden met mede door FOM gefinancierd onderzoek op 12 juli 2007 de cover van Nature. Op de cover van Science van 9 november 2007 stond het eerste wetenschappelijke resultaat van de Pierre Auger Collaboratie, waarin onderzoekers van FOM, KVI, Nikhef en enkele universiteiten participeren. Dit onderzoek, dat voor het eerst aanwijzingen levert voor de herkomst van extreem energierijke deel-

tjes in de kosmische straling, werd door zowel Science als Physics World tot de tien meest opvallende wetenschappelijke prestaties in 2007 gerekend.

Het Amerikaanse instituut ISI houdt niet alleen aantallen publicaties bij, maar ook citaties en daarmee impact. De meest recente gegevens staan in tabel 2.

Tabel 2. Wetenschap in Nederland, 2002-2006* Gebied

Fysica Landbouwwetenschappen Chemie Klinische geneeskunde Materiaalwetenschappen Plant- en dierkunde Onderwijskunde Werktuigbouwkunde Ecologie/milieuwetenschappen Astrofysica en ruimteonderzoek Informatica Microbiologie Aardwetenschappen Wiskunde Farmacologie Moleculaire biologie Biologie en biochemie Sociale wetenschappen Psychologie/psychiatrie Immunologie Economie en bedrijfskunde Neurowetenschappen

Relatieve invloed t.o.v. het wereldgemiddelde**

Percentage Nederlandse*** publicaties

+56 +50 +47 +42 +40 +39 +38 +36 +36 +33 +29 +29 +25 +22 +19 +16 +15 +13 +12 +4 -3 -4

1,83 2,38 1,79 3,61 1,11 2,50 2,97 1,98 3,00 5,21 2,09 3,35 2,60 1,59 2,66 2,92 2,55 2,76 4,39 3,92 4,20 3,53

bron: www.in-cites.com/research/2007/august_20_2007-1.html *

gebaseerd op 105.968 artikelen gepubliceerd over de jaren 2002-2006 met ten minste één auteur met een Nederlands werkadres ** uitgedrukt in procenten ten opzichte van het gemiddelde aantal citaties per artikel in de wereld; +56 voor de fysica betekent dus dat Nederlands werk 56% beter wordt geciteerd dan het wereldgemiddelde voor de fysica; het valt op dat slechts twee vakgebieden in Nederland beneden het wereldgemiddelde scoren *** als aandeel in het totaal aan publicaties wereldwijd; het Nederlandse gemiddelde bedraagt 2,61%


Prijzen en benoemingen

Veni-subsidies gingen in de eerste ronde naar dr. Aleksandra Biegun (KVI), dr. Joe Jenson (UU), dr.ir. Martin Rohde (TUDelft), dr. Jante Salverda (LEI) en dr. Astrid de Wijn (RU). Via het Gebied Chemische Wetenschappen ging een Veni-subsidie naar dr. Nick Polfer (FOM-Instituut Rijnhuizen; Polfer gaf zijn beurs later terug omdat hij een aanstelling kreeg als assistant professor aan de University of Florida). In de tweede Veni-ronde gingen subsidies via het Gebied Natuurkunde naar dr. Jelena Petrovic (NIKHEF), dr. Moumita Das (VU), dr. Lucia Popescu (RuG - Kernfysisch

Vidi-subsidies (om een eigen onderzoeksgroep op te bouwen) waren er voor dr. Rick Bethlem (VU, oud-FOM-oio), dr.ir. Alexander Brinkman (UT, oud-FOM-oio), dr. Rembert Duine (UU), dr.ir. Ronald Hanson (TUDelft/FOM), dr.ir. Marco van Leeuwen (SAF/NIKHEF, oud-FOM-oio), dr. Allard Mosk (UT, oud-FOM-oio), dr.ir. Erik Offerman (TUDelft, oud-FOM-oio), dr. Marieke Postma (SAF/NIKHEF), dr. Niels Tuning (SAF/NIKHEF, oud-FOM-oio), dr. Sander Woutersen (UvA, oud-FOM-oio) en dr. Alex Yanson (LEI, oud-FOM-oio). NWO kende Vici-subsidies (voor excellente, zeer ervaren wetenschappers) in de natuurkunde toe aan prof.dr.ir. Lieven Vandersypen (FOM-concentratiegroep/TUDelft), dr. Pieter Rein ten Wolde (AMOLF), prof.dr. Cristiane de Morais Smith (UU), dr. Kjeld Eikema (VU), prof.dr. Anton Darhuber (TU/e, via STW), dr. Serge Lemay (TUDelft, oud-FOM-postdoc, via Gebied Chemische Wetenschappen) en dr.ir. Jom Luiten (TU/e, oud-FOM-oio, via STW).

Prestigieuze benoemingen en prijzen zijn erkende middelen om waardering voor en erkenning van onderzoekers te laten blijken. Regelmatig valt aan FOMonderzoekers een dergelijke eer te beurt. Hier een selectie uit de meest opvallende van 2007.

Nynke Dekker

Daan Frenkel

Spinoza Tot de vier winnaars van de NWO Spinozapremie 2007 behoorde prof.dr.ir. Leo Kouwenhoven (Technische Universiteit Delft). Hij is leider van de FOM-concentratiegroep en het gelijknamige FOM-programma ‘Solid state quantum information processing’. De Spinozapremie (1,5 miljoen euro) is de grootste Nederlandse onderscheiding in de wetenschap. Leo Kouwenhoven


FOTO NOUT STEENKAMP/FMAX

In de natuurkunde ontvingen dr. Max Baak (CERN, oud-FOM-oio), dr. Mirjam Leunissen (New York University, oud-FOMoio), dr. Bert van Vugt (University of Pennsylvania, oud-FOM-oio), drs. Miranda Cheng (Harvard University, oud-FOM-oio) en dr. Matthijs Langelaar (University of Colorado) Rubicon-subsidies.

Versneller Instituut), dr. Jeroen Koelemeij (VU) en dr. Vladimir Gritsev (UU). Via het Gebied Chemische Wetenschappen viel dr. Ellen Backus (AMOLF) in de prijzen.

FOTO UNIVERSITY OF EDINBURGH

Vernieuwingsimpuls Stimuleringssubsidies voor individuele onderzoekers stralen ook af op de hele organisatie. In 2007 waren er twee Rubicon-rondes (voor pas gepromoveerde Nederlandse onderzoekers om ervaring op te doen in het buitenland), twee Veni-rondes (voor pas gepromoveerde veelbelovende onderzoekers), en één ronde voor Vidisubsidies (om een eigen onderzoeksgroep op te bouwen) en voor Vici-subsidies (voor excellente, zeer ervaren wetenschappers). Daarin vielen heel wat fysici in de prijzen, hoofdzakelijk via het Gebied Natuurkunde maar ook via andere NWO-gebieden en in het geval van de Rubicon-subsidies via het Bètacluster.

FOTO NWO/ARIE WAPENAAR

Hoofdstuk 1

• Oud-FOM-postdoc Erwin Kessels, onderzoeker bij de Technische Universiteit Eindhoven, werd onderscheiden met de Peter Mark Award, een prestigieuze Amerikaanse prijs van de AVS Science & Technology Society. Vanaf 1980 kent de AVS de Peter Mark Award jaarlijks toe aan een jonge wetenschapper (onder 35 jaar) voor uitstekend theoretisch of toegepast onderzoek. Kessels is de eerste onderzoeker van buiten de Verenigde Staten die deze onderscheiding krijgt. • Prof.dr. Ad Lagendijk (AMOLF) en prof.dr. Han Woerdman (LEI en werkgroepleider bij FOM) ontvingen een Fellowship 2007 van de European Optical Society (EOS).

FOTO ALEX POELMAN, RIJNHUIZEN

FOTO NIKOLAY KUZMIN

Ad Lagendijk

• Prof.dr.ir. Wim van Saarloos (LEI, programmaleider en werkgroepleider bij FOM) werd benoemd tot Fellow van de American Physical Society (APS). Dit is zeer prestigieus aangezien statutair niet meer dan een half procent van de leden van de APS zo’n fellowship mag bezitten. • Dr. Charles Timmermans (SAF/NIKHEF en RU) ontving op 23 juli 2007 de tweejaarlijkse European Physical Society High Energy Physics Outreach Prize, als initiator en een van de drijvende krachten achter het scholierenproject HiSPARC.

• Dr.ir. Ben van de Brule, lid van het Uitvoerend Bestuur van FOM, werd in het najaar door zijn werkgever Shell overgeplaatst naar Houston, om er leiding te gaan geven aan een omvangrijk project dat zich gaat richten op de ontginning van teerzanden in Canada. Dit is niet te combineren met een bestuursfunctie in Nederland en daarom trad hij per 15 november af.

FOTO DICK VAN AALST

• Prof.dr. Daan Frenkel (AMOLF) kreeg op 25 juni 2007 een ere-doctoraat van de University of Edinburgh (Schotland) en ontving de Berni J. Alder prijs, de meest prestigieuze Europese prijs op het gebied van computersimulaties en fysische chemie. Hij ontving in 2000 de Spinozapremie. Per 1 oktober 2007 is hij benoemd tot hoogleraar aan de Universiteit van Cambridge. Hij blijft als parttime medewerker aan AMOLF verbonden.

Rechts boven Niek Lopes Cardozo

Charles Timmermans

• Tot nieuw lid van de Jonge Akademie, een initiatief van de KNAW, werden benoemd dr. Gijsje Koenderink (AMOLF), dr. Pieter Rein ten Wolde (AMOLF) en dr.ir. Lieven Vandersypen (FOM-concentratiegroep bij de TUDelft). • Bijzonder eervol is de benoeming van prof.dr. Robbert Dijkgraaf, lid van het Uitvoerend Bestuur van FOM, tot president van de KNAW. Zijn benoeming gaat per 1 mei 2008 in. Hij volgt dan prof.dr. Frits van Oostrom op. Dijkgraaf werd ook benoemd tot lid van het tweede Innovatieplatform, ingesteld door het kabinet Balkenende-IV.

FOTO CAPITAL PHOTOS

• Dr. Nynke Dekker (TUDelft en actief onderzoeker binnen FOM) kreeg op 27 september 2007 een European Young Investigators Award van de European Science Foundation. De competitie voor deze awards in Europa is bijzonder zwaar.

Midden boven Han Woerdman

FOTO AMOLF

• Prof.dr. Niek Lopes Cardozo (Rijnhuizen) werd benoemd tot vice-voorzitter van de Raad van Bestuur van de European Joint Undertaking for ITER and the Development of Fusion Energy.

FOTO LORENTZ INSTITUUT, UNIVERSITEIT LEIDEN

Wim van Saarloos

Robbert Dijkgraaf


Hoofdstuk 1

Tabel 3a. In 2007 goedgekeurde nieuwe FOM-programma’s, met beoordeling vooraf Programma 86 Atomic and molecular nanophysics 101 Graphene-based electronics 102 Rheophysics: connecting jamming and rheology 103 DNA in action: physics of the genome 104 Theoretical particle physics in the era of the LHC 105 Plasmonics 106 The origin of cosmic rays I13 Fundamentals of heterogeneous bubbly flow I14 Microscopy and modification of nano structures with focused electron and ion beams I16 Innovative physics for oil and gas* * dit is een open programma, met een deadline voor eerste ronde van aanvragen in voorjaar 2008; een internationaal panel van experts zal de aanvragen beoordelen

Tabel 3b. Tussentijdse beoordelingen in 2007 (binnen lopende (‘groene’) FOM-programma’s)

45

Programma Photonics in complex media

resultaat voortgezet, met wijziging van de titel

Tabel 3c. Beoordelingen in aanvraagrondes binnen lopende FOM-programma’s in 2007

63

Programma Granular matter

gehonoreerde/ingediende projecten 7/12

Tabel 3d. In 2007 afgesloten FOM-programma’s 5 6 26 44 I01 I05

ZEUS (DESY): Structure of the proton HERMES (DESY): Nucleon spin, flavour and glue Interacting hadrons Cold atoms* Physics of thin film materials** Scientific instrumentation**

* de facto januari 2008 ** waren onderdeel van de FOM-Philips-samenwerking Lab zonder Muren, die in 2007 werd afgesloten

Opmerking: Het programma I12 ‘Nanolaboratory in a transmission electron microscope’, dat de status ‘in ontwikkeling’ had, werd in 2007 voortijdig beëindigd nadat de industriële partner een aanverwant veel groter programma gehonoreerd kreeg.


Externe evaluatie Instituten De FOM-instituten worden regelmatig beoordeeld door internationale visitatiecommissies. In 2007 heeft een internationaal panel onder leiding van prof. Ken Peach (Oxford University) het FOMInstituut voor Subatomaire Fysica NIKHEF geëvalueerd. De evaluatie verliep volgens het Standard Evaluation Protocol van NWO. Dit vereist een zelfevaluatie van het hele instituut en van de afzonderlijke onderzoeksgroepen en beoordeling door het evaluatiepanel. Het panel beoordeelde ook zelf de wetenschappelijke output en voerde tijdens een driedaags bezoek gesprekken met de directie, de wetenschappelijke staf en met oio’s. SAF/NIKHEF behaalde een overall score van vijf op een schaal van 5 tot 1. De bestuurlijke afronding van de evaluatie vindt plaats in 2008. Behalve Peach hadden prof.dr.ir. Sander Bais (UvA), dr. Jos Benschop (ASML), prof. Roger Cashmore (Brasenose College, Oxfod), dr. Hugh Montgomery (Fermilab, Batavia, VS), prof. Felicitas Pauss (ETH, Zürich) en dr. Christian Spiering (DESY, Zeuthen) zitting in het evaluatiepanel. De succesvolle evaluatie van het FOMInstituut voor Atoom- en Molecuulfysica (AMOLF) in 2006 werd bestuurlijk in 2007 afgerond met het structureel verhogen van het missiebudget met 450.000 euro, plus een toekenning van een tijdelijk accres, te weten drie maal 450.000 euro van het Algemeen Bestuur van NWO en twee maal 375.000 euro van FOM. Daarnaast is het instituut begonnen de aanbevelingen van de evaluatiecommissie op het gebied van kennisvalorisatie in beleid te vertalen. Onderzoeksprogramma’s De kwaliteit van de FOM-onderzoeksprogramma’s is gewaarborgd door de selectie

FOTO MARCO KRAAN - SAF/NIKHEF

Ronde-tafeldiscussie over - onder meer de rol van regeringen in grote astrodeeltjesprojecten, de rol van CERN, internationale betrekkingen en de toetreding van nieuwe leden tot ASPERA. V.l.n.r.: Joe Dehmer (NSF - VS), Alan Coates (STFC - Verenigd Koninkrijk), Robert Staffin (DOE - VS), Thomas Berghoefer (BMBF/PT-DESY Duitsland), Robert Blanford (KAVLI Institute KIPAC - VS), Christian Spiering (DESY - Duitsland, voorzitter ApPEC-PRC), Jean Zinn-Justin (CEA/DAPNIA Frankrijk), John Ellis (CERN-Zwitserland), onder leiding van Stavros Katsanevas (CNRS/IN2P3-Frankrijk, coördinator van ASPERA).

Op 20 en 21 september 2007 kwamen tweehonderd internationale astrodeeltjesfysici bijeen in Amsterdam om hun onderzoeksplannen voor de komende tien jaar te ontvouwen. De bijeenkomst werd namens het ERA-NET ASPERA (het door de Europese Unie gesteunde samenwerkingsverband op het gebied van astrodeeltjesfysica) door Nikhef georganiseerd. In zeven werkgroepen vergeleken de astrodeeltjesfysici gedetailleerde plannen voor grote Europese infrastructuren met de beschikbare fondsen van financierende instanties. De activiteiten van ASPERA zijn ondergebracht in vijf werkpakketten, waarvan FOM/Nikhef er één coördineren; in een tweede spelen ze een belangrijke rol. Op de bijeenkomst waren belanghebbende organisaties uit China en de Verenigde Staten tot op hoog niveau vertegenwoordigd om een en ander in mondiaal perspectief te kunnen beschouwen. Bijzonder was de aanwezigheid van twee Nobelprijswinnaars: Jim Cronin en George Smoot.

en beoordeling van de aanvragen, door tussentijdse beoordelingen en door evaluaties bij afronding. De manier waarop zulke beoordelingen plaatsvinden kan verschillen. De ene keer schakelt FOM een jury of een panel in, andere keren vraagt FOM referenten een oordeel te geven of neemt een Werkgemeenschapscommissie of Programmacommissie de taak op zich.

Financiële aansturing FOM besteedt het grootste deel van haar onderzoeksbudget aan de zogenoemde FOM-programma’s. Deze bestaan uit enerzijds de Vrije FOM-programma’s waarin de onderzoekers zelf met de ideeën komen en FOM focus en massa in het Nederlandse natuurkundig onderzoek nastreeft en anderzijds de Industrial Partnership Programmes, waarin industriële partners tenminste de helft van het onderzoek

financieren en die als doel hebben fundamenteel onderzoek te versterken op onderwerpen waar bedrijven belang in stellen. Verder vormen de missiebudgetten van de instituten onderdeel van het totale budget van programma’s. Tenslotte is er de zogenoemde Projectruimte bestemd voor uitdagende, innovatieve ideeën op de schaal van een project. Daarnaast is er altijd een klein aantal onderzoeksactiviteiten dat niet in een van de voorgaande categorieën past. Vrije FOM-programma’s Eind 2006 kon FOM het loket voor de Vrije FOM-programma’s na enige jaren van sluiting weer openen. Voor deze Vrije FOMprogramma’s kunnen één keer per jaar aanvragen worden ingediend (met sluitingsdatum 1 maart). In de eerste ronde vindt er een selectie plaats op basis van

vooraanmeldingen, waarbij werkgemeenschapscommissies een belangrijke rol spelen. In de tweede ronde wordt over uitgewerkte programma-aanvragen het advies van internationale referenten ingewonnen. De ronde 2007 werd een groot succes. Er waren op de sluitingsdatum 26 vooraanmeldingen. Hiervan werd er één weer ingetrokken, zodat er 25 in de selectieprocedure gingen. Na de eerste ronde bleven er tien over. Daarvan zijn er uiteindelijk zes gehonoreerd (101 tot en met 106 in tabel 3a). Alle zes programma’s betreffen onderwerpen die ‘hot’ zijn in het onderzoek. In de programma’s bundelen excellente onderzoekers van minstens drie en soms wel zeven kennisinstellingen hun krachten. Er is dus zichtbaar sprake van focus en massa. Opvallend is dat de leiders van deze nieuwe programma’s jong zijn; hun gemiddelde leeftijd is 40 jaar.


Hoofdstuk 1

FOTO PETER VERHOEFF (TNO)

Ondertekening van het contract ITER-NL op 14 november 2007 in de Koninklijke Schouwburg in Den Haag. Ondertekenaars van links naar rechts: Rob Stol (NRG), Hans Chang (FOM) en Tini Colijn-Hooymans (TNO). Op de achtergrond Cornelis van Bochove (OCW) en Maria van der Hoeven, minister van Economische Zaken.

Projectruimte In de Projectruimte kunnen permanent aanvragen worden ingediend. In 2007 werden 66 aanvragen ingediend. Een aantal van 43 aanvragen kon geheel worden afgehandeld. Van deze 43 werden er 14 gehonoreerd, voor een totaalbudget van 4,605 miljoen euro. Het honoreringspercentage bedroeg 32%. Het Uitvoerend Bestuur van FOM besloot voor 2008 en later de permanente openstelling van de Projectruimte te wijzigen naar twee vaste sluitingsdata: 1 mei en 1 november. Tegelijk besloot het bestuur het maximaal aan te vragen bedrag per aanvraag te verhogen van 300.000 euro naar 375.000 euro, en indien aanvragers een belangrijke investering in apparatuur willen doen, van 450.000 euro naar 500.000 euro.

Honoreringen uit bijzondere (overheids)budgetten Naast de reguliere NWO-gelden voor FOM zijn er soms andere bronnen om onderzoek of onderzoeksfaciliteiten te financieren.

PPM Uit het afgesloten NWO-Prioriteitsprogramma Materialen (PPM) resteerde nog een klein budget dat in 2007 in competitie tussen aanvragen vanuit FOM, Technologiestichting STW en NWO-gebied Chemische Wetenschappen werd besteed. FOM ontving hieruit een bedrag van 424.500 euro dat het zal gaan inzetten in een voorgenomen IPP op het gebied van materiaalonderzoek. Smartmix Uit de zogeheten aardgasbaten was in 2007 geld beschikbaar om economische, sociaal-maatschappelijke en culturele innovatie te stimuleren waarmee Nederland (inter)nationaal kan uitblinken. Bij twee van de gehonoreerde aanvragen zijn FOM-onderzoekers betrokken. Het betreft NIMIC (Nano imaging under industrial conditions), met de Technische Universiteit Delft als penvoerder en deelname van onder andere de groepen van FOM-werkgroepleiders prof.dr. Henny Zandbergen (Technische Universiteit Delft) en prof.dr. Joost Frenken (Universiteit Leiden) en MEMPHIS (Merging electronics and micro and nano photonics in integrated systems), met deelname van het FOMInstituut AMOLF.


ITER Het internationale kernfusieproject ITER heeft sinds 24 oktober 2007 een formele basis. Toen trad het ITER-verdrag officieel in werking, omdat het door alle deelnemende partners was geratificeerd. Daarmee kunnen ook de geldstromen gaan lopen. De eerste bestelling voor ITER – voor de levering van 400 ton supergeleidende kabel – werd op 28 november gedaan. De Universiteit Twente is hier nauw bij betrokken. Prof.dr. Niek Lopes Cardozo (FOM-Rijnhuizen) werd gekozen tot vice-voorzitter van de Raad van Bestuur van de European Joint Undertaking for ITER and the Development of Fusion Energy. Op nationaal niveau kreeg het initiatief van TNO, FOM en NRG om zich via een consortium van Nederlandse bedrijven en kennisinstellingen sterk te maken voor een krachtige Nederlandse inbreng in ITER formeel vorm toen vertegenwoordigers van de drie organisaties op 14 november in aanwezigheid van minister Van der Hoeven van Economische Zaken het contract voor ITER-NL tekenden.

II Beleidsdoelstelling 2: Wetenschap voor de samenleving In haar Strategisch Plan FOM/GBN 20042010 heeft FOM vastgelegd dat zij meer fundamenteel onderzoek gaat doen op die gebieden waar de kans op economische innovaties groot is. Voorbeelden van veelbelovende onderwerpen waar FOM extra aandacht aan besteedt zijn nanoscience, grid computing, energie, biogeïnspireerd onderzoek en dergelijke. Deze keuze weerspiegelt zich in het subgebiedenbeleid van FOM (zie verder pagina 19). Als een belangrijke voorwaarde voor succes ziet FOM samenwerkingsprogramma’s waarbij partners daadwerkelijk aan gezamenlijk onderzoek meefinancieren. Hiervoor heeft zij het nieuwe instrument Industrial Partnership Programmes geïntroduceerd. Dit zijn meerjarige onderzoeksprogramma’s waarbij externe partners uit industrie en/of organisaties buiten de academische wereld ten minste 50% van de kosten van het onderzoek voor hun rekening nemen. Een bijkomende doelstelling is dat de IPP’s een bijdrage leveren aan het verkleinen van de kloof tussen de academische wereld en de industrie.

De afgesloten IPP’s ‘Physics of thin film materials’ en ‘Scientific instrumentation’ maakten deel uit van de Philips-FOMsamenwerking Laboratorium zonder Muren, die in 2007 werd afgerond. Laboratorium zonder Muren ging in 1996 van start met als doel daadwerkelijke intensieve samenwerking tussen universitaire en industriële onderzoekers te bevorderen. Die samenwerking zou - zo was het uitgangspunt - tevens een functie kunnen hebben voor het hele Nederlandse bedrijfsleven. Laboratorium zonder Muren heeft zodanig wetenschappelijk en industrieel relevante kennis opgeleverd dat de samenwerking

Tabel 4. Industrial Partnership Programmes FOM-programma

partner(s)

I02 Softlink* I03 Evolution of the microstructure of materials I04 Dispersed multiphase flow I06 The physics of fluids and sound propagation I07 Sustainable hydrogen

Industrial Partnership Programmes Voor het instrument Industrial Partnership Programmes is jaarlijks een budget van 3 miljoen euro beschikbaar. In 2007 werd dit eenmalig verhoogd met een bedrag van 2 miljoen euro. Vier IPP-aanvragen werden in het verslagjaar gehonoreerd, te weten de programma’s I13, I14, I16 en I18. Eén IPP (I15 - Size dependent material properties) kreeg de status ‘programma in ontwikkeling’. De programma’s I01 (Physics for thin film materials) en I05 (Scientific instrumentation) werden in 2007 afgesloten.

zeer succesvol genoemd mag worden, aldus de Stuurgroep van het programma in zijn eindverslag. Ook het Uitvoerend Bestuur van FOM en Philips beschouwen het Laboratorium zonder Muren als een vruchtbaar samenwerkingsverband, met het IPP ‘Microphotonic light sources’ als een aansprekend vervolg. Een groot deel van de jonge onderzoekers uit de samenwerking blijkt voor een vervolgcarrière in de Nederlandse industrie te hebben gekozen. De verwachting is, aldus de Stuurgroep, dat dit mede zal bijdragen aan de verdere ontwikkeling van fysisch-technologisch georiënteerde industrie in Neder-

I08 I09 I10 I11 I13 I14

I16 I18

CW, AB-NWO, EZ, OCW, industrie (o.a. NIZO, Shell, Akzo Nobel, DSM, Unilever) NIMR EZ, AB-NWO, STW, industrie (o.a.Océ, Unilever, Shell, Twister, Akzo Nobel) Shell

ACTS, EZ, NWO, industrie (o.a. Shell, Gasunie, NUON, BTG) en instellingen (o.a. ECN, TNO) Microphotonic light sources Philips Joint Solar Programme Shell en CW Extreme UV multilayer optics Carl Zeiss Metrology with frequency comb lasers NMi, TNO, ASML Fundamentals of heterogeneous Corus, Shell, DSM, Akzo Nobel bubbly flow Microscopy and modification of FEI nano-structures with focused electron and ion beams Innovative physics for oil and gas Shell Magnetocaloric materials not only BASF for cooling applications

* dit programma is formeel afgesloten, maar er lopen nog enige verplichtingen


Hoofdstuk 1

land. Een kort overzicht van de wetenschappelijke hoogtepunten uit het programma zijn te vinden in hoofdstuk 2.

Contracten met bedrijven FOM heeft ook contracten met bedrijven buiten IPP’s om. Vaak gaat het om onderzoek, maar regelmatig ook om het gebruik van (onderzoeks)faciliteiten of andere vormen van dienstverlening. Tabel 5 geeft een overzicht van de inkomsten uit contracten in 2007.

Tabel 6. Octrooien FOM 2007 • A method for operating an EUV lithography apparatus, and an EUV lithography apparatus, A.E. Yakshin, R.W.E. van de Kruijs, F. Bijkerk en E. Louis, FOM-Rijnhuizen, Patent 07000471.82222, European Patent Office, priority date 10 januari 2007. • Reflektives optisches Element fuer EUV Lithografievorrichtungen, A.E. Yakshin, R.W.E. van de Kruijs, F. Bijkerk, E. Louis en I. Nedelcu, FOM-Rijnhuizen, Local reference 06184PUSPRO, Patent US 60/888,144, US/EU/European Patent Office, priority date 5 februari 2007. • A method of manufacturing a structure, D. Burdinski, R.B.A. Sharpe, M. Blees en J. Huskens, FOM/UT, Number WO 2007/049225, priority date 3 mei 2007.

Tabel 5. Inkomsten uit contracten met bedrijven en instellingen in 2007 inkomsten (in duizend euro)

Bedrijf Shell Philips NIMR Carl Zeiss Telecity Aquasense AMS-IX NMi TNO ASML Overige

1.032 81 402 607 412 171 1.783 117 1.136 97 (39)

Totaal

5.799

Bron: Financieel Jaarverslag FOM 2007

• Werkwijze voor het beschermen van een optisch element in een stralingsbron voor elektromagnetische straling met een golflengte in het extreem ultraviolet (XUV) golflengtegebied en stralingsbron, R. Wieggers, W.J. Goedheer en F. Bijkerk, FOM-Rijnhuizen, rechtnummer 1034039, Patent 1034039, Netherlands, Octrooicentrum Nederland, priority date 26 juni 2007. • Stralingsbron voor elektromagnetische straling met een golflengte in het extreem ultraviolet (XUV) golflengtegebied, F. Bijkerk, A.E. Yakshin, M.R. Akdim en A.W. Kleyn, FOM-Rijnhuizen, Patent 1032674/PCT/NL207/000258, Netherlands, Octrooicentrum Nederland, priority date 13 oktober 2007. • Particle plasmon sensor based on resonant metal particle arrays with single wavelength readout, O.L. Muskens, J. Gómez Rivas, E.M.H.P. van Dijk en D.J.W. Klunder, FOM-AMOLF, European Patent Application Number: 07301304. • Plasmonic grating biosensors, R.W.I. de Boer, E.M.H.P. van Dijk, J. Gómez Rivas en D.J.W. Klunder, FOM-AMOLF, European Patent Application Number: 07301545.5. • Lithography of 3-dimensional submicron structures, W.L. Vos, R.W. Tjerkstra en I.D. Setija, FOM-AMOLF/UT, patent pending.


Octrooien Soms levert FOM-onderzoek een octrooi op (zie tabel 6). Het kennishandelbeleid van FOM is er primair op gericht resultaten uit FOM-onderzoek voor derden toegankelijk te maken. Het zelf realiseren van een octrooiportefeuille hoort niet tot de bedrijfsdoelstellingen. Wanneer er sprake is van octrooien, wordt er zo snel mogelijk een gebruiker gezocht. Doorgaans vraagt FOM een octrooi pas aan, als er een geïnteresseerde partij is.

Netwerken en workshops FOM vindt de wetenschappelijke interactie tussen onderzoekers uit het bedrijfsleven en kennisinstellingen van groot belang. Daarom bevordert FOM deelname van bedrijfsonderzoekers aan adviesorganen, stuurgroepen en programmacommissies. Op zo’n manier hebben ook de natuurkundigen uit het bedrijfsleven invloed op de ontwikkeling van het onderzoek binnen FOM en kunnen FOM-onderzoekers op hun beurt profiteren van inzichten uit het bedrijfsleven. Ook organiseert FOM bijeenkomsten met en voor bedrijven en presenteert FOM zich op evenementen die met innovatie van doen hebben. Op 10 januari 2007 troffen zo’n 40 aan FOM gelieerde theoretisch-fysici en rond 20 onderzoekers van Shell elkaar bij Shell in Rijswijk tijdens een zeer geanimeerde workshop over ‘Challenges for theoretical physicists at Shell’. Dat leverde een aantal ideeën en onderwerpen voor mogelijke samenwerking in onderzoek tussen Shell en FOM op. Eén concreet resultaat uit deze bijeenkomst is er al: het IPP ‘Innovative physics for oil and gas’ waarvoor de eerste

indienronde eind 2007 open ging. Het onderzoeksthema voor die eerste ronde is ‘Nieuwe fysische technieken om de structuur van en het transport in granulaire en heterogene media te onderzoeken’. ASML in Veldhoven was op 1 februari 2007 de ontmoetingsplaats voor ‘ASML/FOM meets science’. ASML wil goede contacten hebben met academia en organiseerde in dat verband samen met FOM een interactieve hooglerarendag. In de vorm van quests brainstormden ASML-medewerkers en hoogleraren over mogelijke oplossingen voor complexe technisch-wetenschappelijke problemen waarmee ASML geconfronteerd wordt. Op 15 maart 2007 presenteerde FOM zich in de Doelen in Rotterdam op de manifestatie ‘Kunst van verzilveren’, over de slag van resultaten uit wetenschappelijk onderzoek naar gebruik ervan. Tijdens de manifestatie ondertekenden Unilever en AMOLF een overeenkomst voor onderzoek aan ‘functional foods’. Het onderzoek richt zich met name op een beter begrip van de manier waarop het menselijk lichaam voedingsstoffen en ‘functionele ingrediënten’ opneemt. Ook Senter/Novem draagt financieel aan het onderzoek bij. Op 10 mei 2007 organiseerden het Dutch Polymer Institute, het Top Institute Food and Nutriton en FOM een workshop om de mogelijkheden voor een IPP op het terrein van ‘bio(-related) materials’ te verkennen. Op 8 juni had op AMOLF een patentdag met Philips plaats. AMOLF-onderzoekers

van het Center for Nanophotonics en onderzoekers en patentspecialisten van Philips bekeken mogelijk patenteerbare ideeën. De dag bleek een succes. Samen met de Technologiestichting STW organiseerde FOM in september 2007 zeven workshops over even zovele thema’s rond nanotechnologie. Uitgangspunt waren de thema’s uit het nanostrategiepamflet (onder leiding van FOM en STW voor NWO opgesteld) uit 2006: beyond Moore, energie, nanodeeltjes, nanomedicine en risico’s. Na overleg met OCW werden daaraan toegevoegd waterzuivering, en voeding en gezondheid. De uitkomsten van de workshops vormen input voor de nationale agenda voor nano-onderzoek waaraan wordt gewerkt. Samen met Shell, ECN en Senter/Novem organiseerde FOM op 19 september 2007 in Utrecht het Dutch Solar Cell R&D Seminar, bedoeld voor iedereen in Nederland die zich bezig houdt met onderzoek aan en ontwikkeling van zonnecellen. Het seminar beleefde tevens de première van een korte promotiefilm over het Joint Solar Programme van FOM, Shell en CW (de film is te zien op www.new-energy.tv/ categorie.php/2/0/zon.html; ga onder entry ‘zon’ naar 14 oktober 2007). Op 10 oktober 2007 hield het FOMInstituut AMOLF een Industrial Affiliates Day. Alle onderzoeksgroepen op AMOLF bespraken resultaten en mogelijke toepassingen uit hun werk met industriële relaties van AMOLF. Ook was er aandacht voor de apparatuur van het instituut. Vervolgafspraken zijn gemaakt met Unilever, FEI,


Hoofdstuk 1

Shell, Akzo Nobel, Coherent en Numico. Opvallend geluid onder de bezoekers: “Mooi om weer eens echte nieuwe wetenschap te horen.” Op 1 november 2007 spraken zo’n veertig deelnemers afkomstig van universiteiten en bedrijven in het FOM-Instituut Rijnhuizen over de vraag wat er aan fundamenteel fysisch onderzoek verricht zou kunnen worden of gewenst zou zijn op het gebied van elektriciteitsopslag. De nadruk lag op batterijen en de discussies leidden onder andere tot ideeën voor een mogelijk nieuw FOM-programma. De workshop was georganiseerd door de Speciale Commissie Energieonderzoek in FOM (SCEF). Physics@FOM-Veldhoven In januari 2007 kwamen 1100 deelnemers naar Veldhoven voor de eerste Physics@ FOM-Veldhoven in de geheel nieuwe opzet die FOM voor die jaarlijkse bijeenkomst van academische en industriële onderzoekers uit een groot deel van het werkveld van FOM ontwikkelde. Belangrijke doelstellingen van deze FOM-meeting zijn onderzoekers uit die verschillende gebieden bij elkaar te brengen, kennisuitwisseling te bevorderen en een ‘FOM-gevoel’ te versterken. De bijeenkomst-nieuwe-stijl werd door de aanwezigen als inspirerend en uitstekend georganiseerd ervaren. Een groot succes waren onder andere de masterclasses die gerenommeerde onderzoekers en sprekers uit het programma gaven voor promovendi.

Bio Veldhoven Op 1 en 2 oktober 2007 kwamen 250 deelnemers naar Veldhoven voor de ‘Annual Dutch Meeting on Molecular & Cellular Biophysics’. Sinds 2002 organiseert FOM, samen met ALW, deze bijeenkomst. De buitenlandse sprekers (vier van de zeven plenaire sprekers) uitten zich positief over de internationale zichtbaarheid en kwaliteit van de Nederlandse moleculaire-biofysicagemeenschap. FOM Young Scientists’ Day Op 13 december 2007 organiseerde FOM een dag met een groot aantal workshops voor oio’s (zie verder pagina 25). Zo was er een workshop over het opzetten van een eigen bedrijf door oud-FOM-promovendus

Marco Beijersbergen die zelfstandig ondernemer is. Tevens presenteerden de organisatoren een gidsje met FOM-alumni in bedrijven die zich bereid hebben verklaard contactpersoon bij dat bedrijf voor FOM-promovendi te willen zijn.

Uitstroom van promovendi Gepromoveerden vormen een belangrijke (en ook internationaal erg gewilde) bijdrage aan kenniseconomie(ën). Zij vliegen uit en nemen hun bij FOM opgedane kennis en vaardigheden mee naar elders. Zo verloopt de meest effectieve bijdrage van onderzoek aan de samenleving (meer dan alleen het bedrijfsleven!). In 2007 voltooiden 97 oio’s hun promotieonderzoek met een academische promotie.

Tabel 7. Uitstroom van oio’s per jaar naar baan elders Uitstroomjaar

2002

2003

2004

2005

2006

totaal

84

80

95

104

120

baan in Nederlands bedrijfsleven andere baan in Nederland

11 35

12 24

14 29

21 24

36 27

baan in EER+

16

16

17

25

26

9

5

8

8

9

13

23

27

26

22

baan buiten EER+ overige

noten: 1. het kost enige tijd om de gegevens te verzamelen; daarom is aan het eind van het verslagjaar de informatie over dat jaar nog niet compleet en 2006 het laatste jaar in deze tabel 2. van de personen in de categorie ‘overige’ zijn geen gegevens bekend (het overgrote deel) of ze hadden op de peildatum (31-12-2007) geen baan; sinds 2000 is het aantal personen over wie geen nadere informatie beschikbaar is, relatief groot 3. het verschil in uitstroomaantallen in deze tabel en het aantal proefschriften in tabel 1 weerspiegelt zaken als uitval, promotie na einde van de arbeidsovereenkomst, variaties in de aantallen instromers vier jaar eerder, verlengingscontracten en zo meer 4. EER+ is de Europese Unie plus Zwitserland BRON: SOCIAAL JAARVERSLAG FOM 2007


FOTO TON MINNEN/NFP PHOTOGRAPHY

Op 3 september 2007 reikte minister Ronald Plasterk van OCW de Jacob Kistemaker prijs 2006 uit aan prof.dr. Joost Frenken (Universiteit Leiden). Frenken kreeg de prijs voor zijn innovatieve werk op het gebied van scanning tunneling microscopen, ontdekkingen die hij daarmee deed en de commercialisering van zijn instrumenten.

Op 3 september 2007 ontving prof.dr. Joost Frenken in het FOM-Instituut Rijnhuizen de Jacob Kistemaker Prijs 2006 uit handen van minister Plasterk van OCW. Die merkte in zijn toespraak op dat innovatie zich vaak voordoet zoals in het geval van Frenken: wetenschappelijk onderzoek leidt tot een instrument, de scanning tunneling microscoop (STM), waarmee op een nieuwe manier naar materie gekeken kan worden en dan realiseert de onderzoeker zich dat er innovatieve waarde aan zit. De varianten die Frenken op zijn STM heeft ontwikkeld maken voor het eerst ‘real-time’ waarnemingen van oppervlakken op atomair niveau onder realistische omstandigheden mogelijk. Dat blijkt bijvoorbeeld heel nieuwe inzichten op te leveren in het gedrag van katalysatoren. Uit het werk van Frenken is een bedrijfje voortgekomen, Leiden Probe Microscopy.

III Ontwikkelingen in subgebieden van de natuurkunde FOM kan niet inspelen op alle ontwikkelingen in de verschillende deelgebieden van de natuurkunde. Zij moet dus programmatische keuzes maken. Daarom heeft zij in haar strategisch plan zes subgebieden van de natuurkunde gedefinieerd waarop ze actief wil zijn. De hoogste prioriteit ligt bij de subgebieden nanofysica/-technologie, fysica van levensprocessen en fusiefysica. De andere subgebieden zijn gecondenseerde materie en optische fysica, subatomaire fysica en

fenomenologische fysica. Verder heeft FOM in aanvulling op en in lijn met het strategisch plan ervoor gekozen bijzondere aandacht aan het onderwerp energie te besteden. Beleidsmatig gezien was het heropenen van het programmaloket voor de subgebieden in 2007 een belangrijke gebeurtenis. Op de subatomaire fysica en de fusiefysica na hebben alle subgebieden een zogeheten werkgemeenschapscommissie die het Uitvoerend Bestuur van FOM adviseert over inhoudelijke ontwikkelingen. Deze commissies hebben een actieve rol gespeeld in het selecteren van de vooraanmeldingen voor de nieuwe Vrije FOM-

programma’s. Daarnaast waren in sommige subgebieden nog andere beleidsmatige/organisatorische activiteiten die het vermelden waard zijn. Nanofysica/-technologie (NANO) Onderzoekers uit dit subgebied hebben in 2007 een belangrijke rol gespeeld in de workshops die FOM en STW samen organiseerden als bijdrage aan het opstellen van een nationaal onderzoeksplan op nanogebied (zie verder pagina 17). Fusiefysica (FuF) Ontwikkelingen op dit werkterrein van FOM hangen ten nauwste samen met de ontwikkelingen rond het internationale


Hoofdstuk 1

In 2007 hebben elf Europese laboratoria, waaronder het FOM-Instituut voor Plasmafysica Rijnhuizen, de handen inéén geslagen om de samenwerking tussen nationaal gefinancierde grote onderzoeksfaciliteiten te bevorderen. Daartoe richtten de directeuren van die laboratoria in Hamburg de European Association of National Research Facilities (ERF) op. Op de foto de ‘founding fathers’ van de ERF. A. Wagner (DESY and voorzitter van de ERF) ondertekent het ERF-charter. Verder v.l.n.r. A. Kleyn (FOM-Rijnhuizen), R. Eichler (PSI, Zwitserland), D. Raoux (Soleil, Frankrijk), K.G. Jeffery (STFC, Verenigd Koninkrijk), C. Rizzuto (Elettra, Italië), W. Sandner (MBI, Duitsland) and M. Steiner (HMI, Duitsland).

fusieproject ITER. Met het formeel in werking treden van de internationale ITERovereenkomst en het tekenen van het contract van het Nederlandse consortium ITER-NL dat Nederlandse instellingen en bedrijven rijp maakt om bijdragen aan ITER te leveren, is het werk rond het project een nieuwe fase ingegaan. Meer hierover op pagina 14. Rijnhuizen organiseerde in mei in Utrecht een goed bezochte workshop over ITER voor universitaire onderzoekers. Subatomaire fysica (SAF) De subatomaire fysica, ook die in Nederland, staat in de startblokken om aan het werk te gaan met de nieuwe Large Hadron Collider (LHC) bij CERN. Helaas

liep het project enige vertraging, zodat de versneller pas medio 2008 in bedrijf komt. Tot dan zijn technici nog dag en nacht in de weer om de versneller gereed te krijgen. De positieve evaluatie van het FOMInstituut voor Subatomaire Fysica NIKHEF betekende tevens dat de taakverdeling binnen de totale Nederlandse subatomaire fysica voor de komende jaren helder is. Een nieuwe ontwikkeling is de astrodeeltjesfysica die een opsteker kreeg met publicatie van allereerste wetenschappelijke resultaten in Science die wereldwijd de aandacht trok. Pogingen worden ondernomen een volgende generatie neutrinotelescoop (KM3NET) gefinancierd te krijgen. In 2007 ging de versneller HERA bij DESY in Hamburg dicht en daarmee


kwam ook een eind aan het experimentele werk dat daar vanuit Nederland vele jaren gedaan is.

Energie De verkenning die het Uitvoerend Bestuur van FOM in 2006 naar het onderwerp energie liet uitvoeren, heeft onder andere geleid tot het instellen van de Speciale Commissie Energieonderzoek in FOM (SCEF). De SCEF gaat de komende vijf jaar het UB gevraagd en ongevraagd adviseren over allerhande zaken die relevant zijn voor energieonderzoek binnen FOM. Ook gaat de SCEF workshops organiseren. De eerste vond plaats op 1 november 2007 en ging over elektriciteitsopslag (zie verder pagina 18).

IV Samenwerken binnen en buiten de natuurkunde Samenwerking tussen wetenschappers uit verschillende disciplines en tussen kennisinstellingen en bedrijven staat hoog op veel agenda’s, ook op die van FOM.

Nationaal actieplan natuurkunde en scheikunde Natuurkunde en ook scheikunde in Nederland hebben te weinig financiële armslag om vernieuwingen in het onderzoek en het onderwijs door te kunnen voeren. In 2007 heeft een klein comité voor de Nederlandse natuurkunde een actieplan opgesteld om de fysica te versterken. Het plan geeft aan hoe meer studenten te werven en te behouden, hoe door keuzes in het onderzoek focus en massa in de Nederlandse natuurkunde te bereiken, hoe meer armslag voor investeringen in apparatuur te verkijgen en hoe dit alles te realiseren (met een nadrukkelijke rol voor FOM). Zo moet dit plan de basis vormen voor een financiële injectie door de overheid. Ook de chemici hebben een plan opgesteld, meer specifiek over onderzoek. Onder regie van een stuurgroep ingesteld door de colleges van bestuur van de universiteiten hebben vertegenwoordigers van de twee vakgebieden beide plannen tot één geheel gesmeed. Daarmee kon de stuurgroep effectief met de overheid over structurele financiële steun gaan praten. Aan het eind van het verslagjaar was dit overleg nog gaande.

FOM en NWO-thema’s NWO voert strategisch beleid met behulp van een aantal onderzoeksthema’s. Op sommige van die thema’s is FOM actief. Op het gebied van energie heeft FOM in 2007 een nadrukkelijke rol gespeeld bij het formuleren van de aanzet voor een nationale onderzoeksagenda. In het voorjaar heeft FOM de leiding gehad bij het in hoog tempo formuleren van een notitie samen met een groot aantal gebieden van NWO over de Nederlandse sterktes in het funderend energieonderzoek. Deze notitie is door het Algemeen Bestuur van NWO doorgezonden aan de ministeries van OCW, VROM en EZ. Binnen NWO wordt

een coördinatiegroep over energie opgezet waar de voorzitter van FOM deel van uitmaakt. Omdat in 2007 de KNAW een energieverkenning uitbracht en het Energieonderzoek Centrum Nederland ook een onderzoeksvoorstel (ADEM) naar de overheid stuurde, hebben de ministers van OCW en EZ een commissie ingesteld die moet adviseren over de vraag hoe deze initiatieven met elkaar in overeenstemming kunnen worden gebracht. Ook op het terrein van nano is een ontwikkeling gaande naar een nationale onderzoeksagenda. FOM, STW en Nanoned zijn in 2006 gestart met het op de rails zetten van het Nederlands Nano Initiatief.

Tabel 8. Samenwerking in het kader van FOM-programma’s met partners binnen NWO partner(s)

FOM-programma

AB-NWO, CW (+ EZ, OCW en bedrijven)

I02 Softlink

AB-NWO/PPM

54

AB-NWO, STW

I04 Dispersed multiphase flow

ACTS, EZ, AB-NWO (+ EZ, bedrijven en instellingen)

I07 Sustainable hydrogen

ALW/AB-NWO

14 56

CW en Shell

I09 Joint Solar Programme

EW

11 79

Mathematical physics Dynamics of patterns

N en CW

69

Self-organised nanostructures

STW

95

ERA-NET NanoScience

Statistical physics and micromechanics of deformation, damage and fracture

Physical biology I Physical biology II


Hoofdstuk 1

Tabel 9. Samenwerkingsvormen met en bij universiteiten FOM

samenwerkingsvorm

FOM-Instituut voor Subatomaire Fysica

+Nationaal Instituut voor Kernfysica en Hoge-energiefysica (Nikhef), waarin naast FOM participeren UvA, VU, UU en RU +partner in onderzoekschool OSAF

Kernfysisch Versneller Instituut

+gezamenlijke onderneming van FOM en RuG +partner in onderzoekschool FANTOM

FOM-Instituut voor Plasmafysica Rijnhuizen

+samenwerking met TU/e en UT in enkele projecten en in Magnum PSI +partner in onderzoekschool CPS +paraplui voor fusiewerk bij KVI, TU/e, UT +samenwerking met UU in astrofysica

FOM-Instituut voor Atoomen Molecuulfysica

+inbreng in het Samenwerkingsverband Nederlands Instituut voor Systeembiologie +samenwerking met Leiden Institute of Advanced Computer Science +Amsterdam nanoCenter met als partners UvA en VU

FOM-algemeen

+concentratiegroep Solid state quantum information processing bij TUDelft, met inbreng van onderzoekers van de Universiteit Leiden +financiering samen met LEI en GBE van het Lorentz Centre (nationaal en internationaal studie- en conferentiecentrum voor fysici en andere bètawetenschappers)

FOM-algemeen en Radboud Universiteit Nijmegen

+stichting beheer internationale magneetfaciliteit (SBIM)


Samen met de Kabinetsnotitie Nanowetenschap, eveneens uit 2006, heeft dit geleid tot zeven thema’s (zie pagina 17) die in zo’n nationale agenda aan bod zouden moeten komen. FOM en STW samen hebben in september 2007 over elk van die thema’s een workshop gehouden, om input van onderzoekers en maatschappelijke organisaties op die punten te krijgen. Ook was er overleg met de ministeries van EZ en OCW. De bedoeling is dat een Nationaal Nano-onderzoeksplan in 2008 gestalte krijgt. Op het onderwerp gezondheid liet het Uitvoerend Bestuur in 2006 een verkenning uitvoeren. De conclusie is inmiddels dat de fysica hier geen voortrekkersrol kan vervullen. FOM volgt ontwikkelingen elders wel met belangstelling. Zo heeft FOM deelgenomen aan een door ZonMW georganiseerde werkconferentie op 27 augustus 2007 over nieuwe instrumenten in de gezondheidszorg. Gesterkt door adhesiebetuigingen vanuit de natuurkunde, technische wetenschappen, academische ziekenhuizen en bedrijven wordt onder aanvoering van ZonMW een plan uitgewerkt. Op het terrein van systeembiologie is onder de vleugels van NWO een themavoorbereidingscommissie bezig een goede beschrijving van het thema te maken. FOM is hierbij betrokken. Verder is de directeur van FOM voorzitter van het

Samenwerkingsverband Nederlands Instituut Systeembiologie (NISB). Naast onderzoekers van de UvA, de VU en het CWI doen hier medewerkers van AMOLF aan mee. Op het onderwerp hersenen en cognitie heeft het Uitvoerend Bestuur in 2007 besloten een verkenning te laten uitvoeren naar mogelijke interessante fundamenteel-fysische vragen.

Tabel 10. Faciliteiten in FOM-verband en externe gebruikers daarvan in 2007 faciliteit

externe gebruikers* (in % van totaal gebruik)

buitenlands gebruik (in % van externe gebruikers)

54 87 71 15 19

93 88 59 20 25

AGOR (KVI) FELIX (Rijnhuizen) HFML (RU) Massaspectrometers AMOLF Amsterdam nanoCenter

Nationale samenwerking FOM heeft samenwerkingsovereenkomsten binnen NWO, binnen de universiteiten en in het kader van onderzoeksfaciliteiten. Voor het uitvoeren van grensverleggend onderzoek zijn steeds vaker grootschalige onderzoeksfaciliteiten essentieel. Voorbeelden zijn FELIX/FELICE (Rijnhuizen), het AGOR-cyclotron (KVI), de EBPG in het Nanolab in Delft, de hoge magneetveldeninstallaties van het HFML (RU Nijmegen) en het BIG-GRID initiatief (via SAF/NIKHEF).

*gebruikers van buiten vakgroep, laboratorium, instituut waar de faciliteit staat algemene opmerking: het externe gebruik varieert aanzienlijk van jaar tot jaar

Tabel 11. FOM in de Europese Unie wat

waar

Access to research infrastructures

KVI, HFML (RU) en FELIX (Rijnhuizen) krijgen financiering uit dit budget van het HMC-programma in KP6 van de Europese Unie

Verder is het beleid van FOM om haar eigen onderzoeksfaciliteiten toegankelijk te laten zijn voor externe onderzoekers en om soms samen met een universiteit faciliteiten van nationale betekenis op te richten dan wel te onderhouden. Tabel 10 laat zien welke faciliteiten dat in het verslagjaar waren en hoe het externe gebruik hiervan was.

AMOCROSS

gastheerschap AMOLF van dit Marie Curie Early Research Training programma

Erasmus IP Mathematics and Biology

AMOLF verzorgt het secretariaat van het Erasmus Intensive Programme voor het opzetten van PhD-cursussen wiskunde en biologie

EU IP Nanomedicine

AMOLF neemt deel in het EU Intensive Programme Nanomedicine

FOM in Europa

XTRA

AMOLF coördineert dit EU-netwerk (XTRA = Ultrashort XUV pulses for time-resolved and non-linear applications)

COMPUTIS

EU-STREP-project met deelname van AMOLF

MURI

Multidisciplinary University Research Initiative in de VS; op gebied van plasmonoptica; deelnemers Caltech, Harvard, UCLA, University of San Diego, Berkeley University en AMOLF

ERA-NET nanoscience

Gelijknamig FOM-programma is onderdeel van dit ERA-NET

Kijkend vanuit de Europese dimensie naar de FOM-organisatie vallen in de eerste plaats de gestructureerde samenwerkingsverbanden op. Het betreft dan de Nederlandse inbreng in het onderzoek in de hoge-energiefysica op CERN en in het Europese fusieprogramma (nu op ITER gericht). De FOM-instituten SAF/NIKHEF en Rijnhuizen fungeren hier als thuisbasis voor de Nederlandse inbreng. Daarnaast is FOM betrokken bij overleg over deelname


Hoofdstuk 1

Tabel 12. Internationale samenwerkingsverbanden waar

wat

CERN (Genève)

vier FOM-programma’s in de subatomaire fysica maken deel uit van het onderzoeksprogramma van CERN dat met de nieuwe deeltjesbotser LHC uitgevoerd gaat worden

in Europese synchrotronfaciliteiten (ESRF) en een nieuwe Europese laser (XFEL) (Hamburg).

Fermilab, Chicago (VS) experimenten in het kader FOM-programma ATLAS

In 2007 stelde de minister van OCW de Commissie Nationale Roadmap Grootschalige Onderzoeksfaciliteiten in. De commissie moet de minister adviseren over de belangrijkste richtingen voor investeringen in grootschalige onderzoeksfaciliteiten in de komende vijf tot tien jaar. Het advies zal aansluiten bij de in Nederland aanwezige wetenschappelijke sterktes en bij de eerste Roadmap van de European Strategy Forum for Research Infrastructures (ESFRI). Vanuit FOM wordt in beide gremia inbreng geleverd.

SLAC, Stanford (VS)

onderzoek ten behoeve van CERN-experiment LHCb

Middellandse Zee

in een consortium met universiteiten, laboratoria en onderzoeksinstellingen uit zeven Europese landen werkt SAF/NIKHEF aan de onderzeese neutrinodetector ANTARES

ECT*, Trento (Italië)

deelname van theoriegroepen en enkele experimentatoren van SAF/NIKHEF en KVI

Gridforum

actieve rol van SAF/NIKHEF in nationale en internationale inspanningen voor het ontwikkelen van een wereldwijd GRID

KVI

contract van FOM en IN2P3 (Orsay) voor 20% van de bundeltijd van cyclotron AGOR voor Franse onderzoekers

KVI

mede door AGOR is het KVI trekker van de Europese onderzoeksschool FANTOM en partner in de Europese faciliteit LIFE

Rijnhuizen

de Britse EPSRC financiert mede de exploitatie van de vrijeelektronenlaser FELIX

Rijnhuizen

bij FELIX staat een meetopstelling (FTICR) van de Amerikaanse NSF

Binnen het Zesde Kaderprogramma van de Europese Unie nemen enerzijds de FOM-instituten deel aan een aantal onderdelen van de programma’s (zie tabel 11) en participeert FOM anderzijds in haar rol van financieringsorganisatie in het ERANET (European Research Area Network) NanoScience en in ASPERA (Astroparticle ERA-NET). Verder wordt vanuit FOM meegedaan aan de aan de European Science Foundation gelieerde Eurocores ‘Self-organized nanostructures’. Het Zevende Kaderprogramma is pas in 2007 formeel gaan draaien. Veel calls staan open of moeten nog open gaan.

RHIC, Brookhaven (VS) onderzoek ten behoeve van CERN-experiment ALICE

Rijnhuizen en AMOLF uitwisselingsprogramma met de NSF voor gebruik van FTICR bij FELIX en plaatsopgeloste massaspectrometer op AMOLF door jonge Amerikaanse onderzoekers Rijnhuizen/ASIPP

uitwisseling van kennis en personen met ASIPP (Institute of Plasma Physics of the Academia Sinica) in Hefei

EFDA/JET (Culham)

FOM is partner in de European Fusion Development Agency (EFDA) en Rijnhuizen voert experimenten uit op JET

FOM internationaal Op internationaal niveau is FOM als organisatie partner in of deelnemer aan tal van activiteiten (zie tabel 12). Belangrijk is natuurlijk ook de internationale samenwerking op individueel niveau. Circa 50 procent van de in 2007 gepubliceerde wetenschappelijke artikelen van FOMonderzoekers telde een buitenlandse collega als mede-auteur. Van alle medewerkers die FOM eind 2007 in dienst had, bezat circa 45 procent een andere nationaliteit dan de Nederlandse.

EFDA/ITER (Garching) Rijnhuizen doet ECRH-werk voor ITER TEXTOR (Jülich)

Rijnhuizen werkt met Forschungsanlage Jülich en KMS (Brussel) onder ‘Trilaterale Euregio Cluster’-contract samen aan fusieonderzoek

MURI

Multidisciplinary University Research Initiative in de VS; op gebied van plasmonoptica; deelnemers Caltech, Harvard, UCLA, University of San Diego, Berkeley University en AMOLF


FOTO LIESBETH SLUIJTER

FOM Young Scientists’ Day

V Mensen, middelen en management Hoofdlijnen van het personeelsbeleid Met haar personeelsbeleid beoogt FOM om toptalent binnen te halen, waar nodig en mogelijk te behouden of anders goed toegerust de loopbaan elders te laten vervol-

(vervolg tabel 12) Waar

wat

Global Climate and Energy Program

AMOLF krijgt subsidie uit dit Amerikaanse programma (gefinancierd door vier grote bedrijven, gecoördineerd door Stanford University) voor onderzoek aan plasmon zonnecellen

DFG Transregio Sonderforschungsbereich ‘Physics of colloidal dispersions in external fields’

Gelijknamig FOM-programma is onderdeel van dit initiatief

Eurocores ‘Self-organized nanostructures’

Gelijknamig FOM-programma is onderdeel van dit Eurocores van de ESF

gen. Bijna de helft van de FOM-medewerkers, met name oio’s en postdocs, is in tijdelijke dienst en meer dan de helft van hen komt uit het buitenland. Gepromoveerden met bijzondere kwaliteiten en vaardigheden afleveren is een ambitie van FOM. Daarom organiseert FOM voor haar promovendi trainingen op het gebied van efficiënt werken, solliciteren, functioneren in de Nederlandse context, presenteren en loopbaanplanning (zie tabel 15). Ook geeft FOM onderzoekers op verzoek persoonlijke coaching en begeleiding. Een bijzondere activiteit was de FOM Young Scientists’ Day die op 13 december 2007 in het Olympisch Stadion in Amsterdam werd gehouden. Doel van de dag was FOM-promovendi aan de hand van voordrachten en workshops te laten zien hoe ze hun promotietijd bij FOM het best kunnen benutten en wat carrièremogelijkheden zijn na hun tijd bij FOM. Op de dag heeft FOM een lijst gepresenteerd van oud-FOM-onderzoekers die bij bedrijven en maatschappelijke organisaties werken en die als vraagbaak willen fungeren voor FOM-oio’s die zich aan het oriënteren zijn op hun loopbaan na FOM.


Tabel 13. Personeelbestand FOM in 2007

SAF/NIKHEF KVI Rijnhuizen AMOLF BUW Bureau totaal

WP/V

WP/T

oio

OP/V

OP/T

totaal

37 3 27 17 8 0 92

14 0 10 36 51 0 111

42 10 20 51 198 0 321

92 9 75 61 7 51 295

12 0 19 15 3 5 54

197 22 151 180 267 56 873

2005

2006

2007

1099,33 1073,35 1024,38

947,68

844,08

peildatum 31 december 2007

Tabel 14. Gerealiseerde bezetting totaal FOM in meerjarig perspectief 2003 gerealiseerde bezetting

2004

(getallen in fte)

Tabel 15. FOM-trainingen voor oio’s in 2007 Onderwerp van de training*

Introduction to Dutch and the Dutch Goal Oriented Working and Planning Doelgericht Werken and Plannen The Art of Presenting Science Being Successful in Dutch Organisations Loopbaanplanning Business Orientation Programme (Nyenrode)

aantal keer gehouden 4 3 4 3 1 4 2

totaal aantal deelnemers 31 22 29 36 14 32 36 **

Dankzij het zogeheten Springplankprogramma van FOM konden veelbelovende onderzoekers een vaste positie bij een Nederlandse universiteit krijgen. Op die manier konden ze alvast ‘voet aan de grond krijgen’ met het oog op in de toekomst vrijkomende posities in de Nederlandse academische wereld. Het programma startte in 1998 en sloot in 2002, omdat toen de Vernieuwingsimpuls van NWO van start ging. Over die jaren dienden zich 54 sollicitanten aan waarvan er veertien van start gingen. Eind 2007 is nog één Springplanker in dienst van FOM.

Hoofdlijnen van het financiële beleid Het belangrijkste financiële sturingsinstrument van FOM is de begroting, die in * **

trainingen zijn alleen efficiënt wanneer ze voor kleine groepen worden gegeven; het totaal aantal deelnemers is voor alle betreffende trainingen opgeteld 20 deelnemers voor de Nederlandse training, 16 voor de Engelse versie

BRON: SOCIAAL JAARVERSLAG FOM 2007

26 Hoogtepunten uit het onderzoek • Rapportage realisatie doelstellingen

FOTO BUREAU PARADOX

Deelnemers aan de training ‘Being successful in Dutch organisations’.

meerjarig perspectief wordt vastgesteld. Programma’s, projecten en andere activiteiten worden alleen toegekend indien er voldoende financiële ruimte in de begroting is. De verdeling van de FOM-middelen over de typen onderzoeksactiviteiten wordt bij elk Strategisch Plan opnieuw vastgesteld door de Raad van Bestuur.

sobere jaren mogelijk. In de komende jaren zal het budget voor nieuwe programma’s niet zo groot zijn. De belangstelling van bedrijven voor de Industrial Partnership Programma’s is groot en groeiend. Gelukkig kon ook daar, mede met steun van NWO, enig extra budget voor worden gereserveerd.

In 2007 stond het programmaloket van FOM weer open. Dankzij extra middelen van NWO, bezuiniging op de FOMProjectruimte en financiële ruimte die vrijkomt doordat een aantal FOM-programma’s ten einde loopt, kon het UB ruim 18 miljoen euro vrijmaken voor nieuwe programma’s. Daardoor was ook een kleine inhaalslag voor de afgelopen

In het verslagjaar ontving FOM een bedrag van 88,2 miljoen euro, waarvan 71,7 miljoen van onze hoofdfinancier NWO en de rest van het bedrag op grond van samenwerking met derden. Meer informatie over de FOM-financiën is te vinden in hoofdstuk 3.

Managementzaken Communicatie Als steeds richt het communicatiebeleid van FOM zich op het profileren van FOM als een nationaal en internationaal succesvolle onderzoeksorganisatie en waar mogelijk op outreach-activiteiten om natuurkunde in het algemeen te promoten bij toekomstige onderzoekers en belangstellenden. De externe communicatie van FOM bestaat uit mediavoorlichting, publieksvoorlichting, activiteiten voor en met scholen en in toenemende mate marketingcommunicatie om FOM te profileren bij (potentiële) partners in onderzoek. Daarnaast is de interne communicatie met en tussen FOM-medewerkers belang-

27 Hoogtepunten uit het onderzoek • Rapportage realisatie doelstellingen

Hoofdstuk 1

Tabel 16. Uitgegeven berichten voor de media Soort product Persberichten* Edities nieuwsbrief Newton News* Onderzoeksberichten (op de websites van FOM en de instituten, in NWO Onderzoekberichten)

2003

2004

2005

2006

2007

5 12 61

7 17 58

3 30 50

14 45 48

11 40 51

*deze berichten worden ook op de website van FOM opgenomen

Tabel 17. FOM in de media Soort vermelding in de media Inclusief naamsvermelding FOM Vermelding FOM-onderzoek en/of FOM-onderzoekers zonder naamsvermelding

rijk. Juist omdat de werkplekken van FOMpersoneel verspreid zijn over een groot aantal locaties en omdat er binnen FOM sprake is van veelzijdige onderzoeksrichtingen, is het belangrijk dat men toch het gevoel heeft onder één vlag te varen en dat men van elkaar weet wat men doet. Mediavoorlichting FOM onderhoudt – zowel centraal als vanuit de instituten – contacten met de meest uiteenlopende media en voedt die media met berichten over lopend en afgesloten onderzoek.

2003

2004

2005

2006

2007

307

324

432

391

416

315

418

571

418

483

Publieksvoorlichting Het brede publiek wordt bediend via bijvoorbeeld de Open Dag tijdens de jaarlijkse nationale Wetenweek, door deelname van FOM in Kennislink en via het onderzoeksnieuws op de FOM-website. Outreach De Fusion Road Show van het FOM-Instituut Rijnhuizen en de bijbehorende website zijn onverminderd populair. Het scholenproject HiSPARC van Nikhef (met grote inbreng van het FOM-Instituut SAF/NIKHEF) is jaar in jaar uit een groot succes.


Het netwerk omvat inmiddels tegen de veertig scholen. De instituten hebben steeds meer rechtstreeks contacten met scholen en met docenten. Eind 2007 besloot FOM een tiental VWO-docenten een parttime-onderzoekspositie (met een jaarcontract) op de drie FOM-instituten aan te bieden. Verder draagt FOM financieel bij aan bijvoorbeeld scholierenreizen naar Europese natuurkundelabs of aan andere onderwijsactiviteiten. Ook is FOM bijvoorbeeld medesponsor van de Eureka Cup (een jaarlijkse landelijke wedstrijd voor scholieren in het

FOTO BABER RAJA VOOR COOLPOLITICS

Tijdens het meerdaagse muziekfestival Lowlands (augustus 2007) verzorgde Robbert Dijkgraaf op college tijdens de zogeheten Lowlands University. Hij sprak voor een publiek van ongeveer 1000 festivalgangers over relativiteitstheorie, quantummechanica, snarentheorie en extreem energierijke deeltjes.

voortgezet onderwijs), van het Techniek Toernooi (voor basisscholen), van de Nationale Natuurkunde Olympiade en partner van de Stichting Natuurkunde.nl. Ook studenten mogen zich in de belangstelling van FOM verheugen. Heel wat symposia en studiereizen van studieverenigingen komen mede door financiering en advies van FOM tot stand. Marketing De strategische doelstelling van FOM om meer fundamenteel onderzoek te doen op die gebieden waar de kans op econo-

mische innovaties groot is, leidt via het instrument Industrial Partnership Programmes tot toenemende contacten met het bedrijfsleven. FOM is zich daar dan ook nadrukkelijker dan voorheen aan het presenteren en profileren. Presentie op beurzen is één activiteit die FOM opgepakt heeft. Het ontwikkelen van bijbehorend presentatiemateriaal is in 2007 systematisch aangepakt.

prof.dr. Ronald Griessen (voorzitter), prof.dr. Carlo Beenakker (vice-voorzitter), prof.dr. Robbert Dijkgraaf en prof.dr. Detlef Lohse. Door het vertrek van dr.ir. Ben van de Brule (door zijn werkgever Shell belast met een omvangrijke taak in Houston) was de ‘bedrijvenstoel’ in het Uitvoerend Bestuur aan het eind van het jaar vacant.

Bestuur Het Uitvoerend Bestuur bestond op 31 december 2007 uit:


h2

Hoogtepunten uit het onderzoek Hoofdstuk 2

35

Inleiding

FOM is een programma-organisatie. Eind 2007 waren er in totaal 62 goedgekeurde onderzoeksprogramma’s waaraan rond 70% van het totale exploitatiebudget wordt besteed. FOM kent twee soorten programma’s: de Vrije FOM-programma’s en de Industrial Partnership Programmes. De ‘vrije’ programma’s ontstaan op basis van ideeën van onderzoekers. Zij ontwikkelen een aanvraag en kunnen die eenmaal per jaar bij FOM indienen. De beoordelings- en selectieprocedure bestaat uit twee stappen. De eerste is gebaseerd op vooraanmeldingen. Mede op basis van de adviezen van werkgemeenschapscommissies en dergelijke brengt het Uitvoerend Bestuur van FOM het totaal aan aanvragen terug tot ruwweg twee keer het beschikbare budget. De uitverkoren vooraanmeldingen worden vervolgens door de indieners uitgewerkt en door onafhankelijke buitenlandse experts beoordeeld. Op basis van die beoordelingen en het weerwoord van de indieners (samen het zogeheten protocol), en het beschikbare budget wordt een deel van de aanvragen gehonoreerd. FOM

streeft met haar vrije programma’s twee doelen na: een zo hoog mogelijke kwaliteit van het natuurkundig onderzoek in Nederland plus focus op wetenschappelijke onderwerpen en samenbundeling van onderzoeksactiviteiten (massa) realiseren. Met de vrije programma’s voert FOM via haar subgebieden ook strategisch onderzoeksbeleid. In de Industrial Partnership Programmes (IPP’s) doet FOM in gezamenlijke financiering met bedrijven fundamenteel onderzoek op die gebieden waar de kans op economische innovaties groot is. FOM gaat hierbij actief op zoek naar mogelijke onderzoekspartners en formuleert met hen samen onderwerpen van onderzoek. Ook in deze programma’s is kwaliteit van het onderzoek het ‘sluis’-criterium voor honorering. Naast de programma’s is er de FOM-projectruimte. Deze is bedoeld voor risicovol grensverleggend onderzoek. Er is geen enkele beperking aan te kiezen onderwer-

pen. In de praktijk is de FOM-projectruimte vaak de kraamkamer voor nieuwe ideeën. Tenslotte lopen er altijd allerlei onderzoeksprojecten binnen FOM die in geen van de vorige categorieën passen. Het FOM-onderzoek wordt verricht op twee soorten locaties: instituten en werkgroepen aan universiteiten. Alle universitaire groepen zijn beheersmatig ondergebracht onder één eenheid, de Beheerseenheid Universitaire Werkgroepen (BUW). Dit hoofdstuk volgt de verschillende onderzoeksactiviteiten van FOM. Eerst komen per subgebied de vrije programma’s aan bod, vervolgens de IPP’s en daarna enkele aansprekende projecten uit de FOM-projectruimte; het hoofdstuk sluit af met een kleine keuze uit de overige onderzoeksactiviteiten. Het hoofdstuk bevat in tabelvorm ook een overzicht van de belangrijkste gegevens van alle goedgekeurde programma’s.

Vrije FOM-programma’s Subatomaire fysica | 40 Nanofysica/-technologie | 52 Gecondenseerde materie en optische fysica | 58 Fysica van levensprocessen | 70 Fusiefysica | 75 Fenomenologische fysica | 76 Overige fysica | 83

Industrial Partnership Programmes FOM-projectruimte

| 88

| 102

Overige onderzoeksactiviteiten

| 107

37 Hoogtepunten uit het onderzoek

Tabel 1. Goedgekeurde Vrije FOM-programma’s per 31 december 2007 nr. titel

periode

totaal gemiddeld FOM- budget/ organisatie-eenheid budget1) jaar1)

Subatomaire fysica

7. 21. 23. 24. 31. 47. 48.

Physics at the TeV scale: ATLAS Relativistic heavy-ion physics: ALICE Physics with b-quarks: LHCb Operation, development and improvement of the AGOR cyclotron Fundamental interactions ANTARES: A cosmic neutrino observatory Trapped radioactive isotopes: micro-laboratories for fundamental physics 52. Theoretical subatomic physics 57. String theory and quantum gravity 104. Theoretical particle physics in the era of the LHC 106. The origin of cosmic rays

1997-2015 1998-2013 1999-2014 1999-2013 1999-2007 2001-2007 2001-2013

47,1 13,1 31,0 4,9 4,2 9,2 9,6

2,5 0,8 1,9 0,3 0,5 1,3 0,7

SAF/NIKHEF + BUW BUW + SAF/NIKHEF SAF/NIKHEF + BUW KVI BUW SAF/NIKHEF KVI

2000-2008 2002-2010 2008-2013 2008-2013

5,4 4,1 2,3 3,1

0,6 0,5 0,4 0,5

SAF/NIKHEF BUW BUW+KVI+SAF/NIKHEF SAF/NIKHEF+KVI+BUW

1999-2007 1999-2008 2003-2008 2004-2013 2007-2014 2004-2014 2006-2010 2008-2012 2008-2012

6,4 3,4 0,8 9,2 3,7 3,4 1,3 3,3 3,1

0,7 0,3 0,1 0,9 0,5 0,3 0,2 0,7 0,6

AMOLF BUW BUW BUW BUW BUW BUW BUW AMOLF+BUW

1999-2008 1999-2008 1999-2008 2000-2007 2002-2012 2001-2010 2001-2008

7,3 8,6 5,0 2,8 4,6 5,6 0,9

0,7 0,9 0,5 0,3 0,4 0,6 0,1

BUW BUW BUW BUW BUW BUW BUW

2003-2012 2003-2008 2002-2009 2003-2009 2004-2013 2004-2010

12,6 1,5 1,3 7,0 3,3 2,9

1,3 0,2 0,2 1,0 0,3 0,4

Rijnhuizen Rijnhuizen BUW AMOLF BUW BUW

Nanofysica/technologie

29. Nanostructured opto-electronic materials 32. Photon physics in optical materials 69. Self-organised nanostructures (together with CW and ESF) 73. Solid state quantum information processing 86. Atomic and molecular nanophysics 88. Materials-specific theory for interface physics and nanophysics 95. ERA-NET Nanoscience 101. Graphene-based electronics 105. Plasmonics

Gecondenseerde materie en optische fysica

34. 38. 39. 44. 45. 46. 54. 58. 59. 61. 66. 78. 87.

Strongly interacting condensed matter Physics of electronic and magnetic structures and devices Fundamental properties of surfaces and interfaces Cold atoms Photons in complex media Collective and cooperative statistical physical phenomena Statistical physics and micromechanics of deformation, damage and fracture The IR user facility FELIX, expanded with FELICE Molecular dynamics studies with intense IR radiation Physics of colloidal dispersions in external fields (together with DFG) Ultrafast molecular dynamics The user facility for high magnetic fields Quantum gases


Tabel 1. Goedgekeurde Vrije FOM-programma’s per 31 december 2007 nr. titel

periode

totaal gemiddeld FOM- budget/ organisatie-eenheid budget1) jaar1)

Fysica van levensprocessen

14. Physical biology (together with ALW) 27. Structure, function and flow of soft materials 49. Mass spectrometric imaging and structural analysis of biomacromolecules 51. Physics for medical technology 56. Physical biology II (together with ALW) 60. Biomolecular physics 90. Material properties of biological assemblies 103. DNA in action: physics of the genome

1998-2006 1999-2008 2001-2008

2,9 15,9 9,4

0,3 1,6 1,2

BUW AMOLF + BUW AMOLF

2001-2009 2001-2006 2003-2010 2005-2010 2008-2012

2,3 1,8 3,9 2,1 3,9

0,3 0,3 0,5 0,3 0,8

BUW BUW BUW BUW BUW

2004-2008

4,6

0,9

Rijnhuizen

1997-2011 1998-2008 2002-2010 2001-2008 2004-2013 2004-2015 2005-2010 2008-2013

20,7 1,0 3,6 3,7 3,9 18,7 0,8 2,6

1,4 0,1 0,4 0,5 0,4 1,6 0,1 0,4

BUW BUW BUW BUW BUW Rijnhuizen BUW BUW

1999-2006 2001-2007

2,0 2,2

0,2 0,3

BUW BUW

Fusiefysica

74. Manipulation of meso-scale structures in hot, magnetised plasmas

Fenomenologische fysica

10. Physics for technology 36. Two-dimensional turbulence 53. Turbulence and its role in energy conversion processes 55. Laser wakefield accelerators 63. Physics of granular matter 75. PSI-lab: an integrated laboratory on plasma-surface interaction 79. Dynamics of patterns 102. Rheophysics: connecting jamming and rheology Overige fysica

11. Mathematical physics (together with EW) 43. Molecular atmospheric processes

1) bedragen in Ma

Opmerkingen. 1. Het getal vóór de titel van elk programma is het programmanummer. Hoe hoger het getal, hoe jonger in de regel het programma. 2. Uit een enkel programma dat in de loop van 2007 van start is gegaan, zijn nog geen resultaten te melden.


FOM-programma 5

ZEUS (DESY): Structure of the proton

Het erfgoed van ZEUS

werking worden bestudeerd. De metingen van de structuur van het proton en de zwakke wisselwerkingen zijn van cruciaal belang gebleken voor toekomstige experimenten aan de Large Hadron Collider bij CERN en de detectie van kosmische neutrino’s. De ontwikkeling van de interne structuur van het proton was soms verrassend. Zo bleek het mogelijk binnen het proton quarks waar te nemen met een massa groter dan die van het proton zelf. Dit quantummechanisch effect is door ZEUS nauwkeurig onder de loep genomen. Met behulp van een silicium strip-detector kon de aanwezigheid van zware quarks op zeer duidelijke manier aangetoond worden.

De ZEUS-collaboratie heeft de laatste 16 jaar gewerkt aan het ontrafelen van de structuur van het proton. Dit werd gedaan met een experimentele opstelling bij de elektron-protonversneller HERA bij DESY in Hamburg. In het quarkmodel bestaat het proton uit drie quarks: twee van het type u(p) en een van het type d(own). Deze quarks zijn door gluonen aan elkaar gebonden. Lang is gedacht dat het proton een statisch systeem was. De metingen met ZEUS hebben dat beeld veranderd. Het proton blijkt een kokend systeem te zijn van paren quarks en antiquarks. De metingen van de structuur van het proton en de interpretatie daarvan in termen van de quantumchromodynamica (QCD), de theorie die beschrijft hoe de gluonen

De structuur van het proton. Illustratie DESY

quarkverdelingen evolueren als functie van de impulsoverdracht van het elektron naar het proton, zijn voor een heel groot deel het werk geweest van de fysici van het NIKHEF. QCD kan niet de beginverdeling in een proton voorspellen. ZEUS kon die wel meten en het was verrassend hoe de evolutie voorspeld door QCD zich uitstekend gedraagt tot zeer lage waarden van de impulsoverdracht. De leden van de NIKHEF-groep bij ZEUS hebben zich eveneens bezig gehouden met metingen - aan botsingsrestanten van het proton - van de zogenaamde geladen stroom-reactie en de analyse van dit soort gebeurtenissen steeds verder verfijnd. Aan de hand hiervan kan de zwakke wissel-

In de eindtoestand van de interacties komen ook effecten van de sterke wisselwerking aan het licht. Uit de topologie van de eindtoestand is het mogelijk om de constante van de sterke wisselwerking te bepalen. Dergelijke metingen zijn eerder bij andere experimenten uitgevoerd, maar de ZEUS-metingen waren uniek doordat de bepaling van deze koppelingsconstante bij verschillende waarden van de impulsoverdracht gedaan kon worden. Zo kon binnen één experiment aangetoond worden dat deze koppelingsconstante niet constant is maar afneemt met toenemende energie (impulsoverdracht). Deze experimentele verificatie van de voorspellingen van de quantumchromodynamica heeft bijgedragen aan het toekennen van de Nobelprijs voor de natuurkunde in 2004 aan de ontwikkelaars van deze theorie.

Het FOM-programma “ZEUS (DESY): Structure of the proton” is in 2007 afgesloten.

40 Hoogtepunten uit het onderzoek • Subatomaire fysica

FOM-programma 6

HERMES (DESY): Nucleon spin, flavour and glue

Nucleonspin is resultaat van subtiel samenspel tussen de spindragers gaande is, kan al wel gesteld worden dat de spin van het nucleon niet dominant kan worden toegeschreven aan een van de mogelijke dragers (quarkspin, gluonspin of baanimpulsmoment), maar het resultaat is van een subtiel samenspel tussen elk van deze bijdragen. Ook aan trefplaten met een polarisatierichting die loodrecht staat op die van de bundel heeft HERMES metingen verricht. Hiermee is de derde - niet eerder gemeten - structuurfunctie van het nucleon bestudeerd, de zogenaamde transversity-verdeling. Deze verdeling wordt niet beïnvloed door gluonbijdragen. De eerste resultaten hebben veel aandacht getrokken omdat ze strijdig waren met eerste intuïtieve voorspellingen. Hiermee is al duidelijk geworden dat deze metingen gebruikt kunnen worden om de QCD-structuur van het nucleon onafhankelijk te onderzoeken. In 1988 werd het succesvolle Quark Parton Model, dat de structuur van het nucleon beschreef in termen van quarks, opgeschrikt door een meting van de EMC-collaboratie. Dit experiment bepaalde de som van de quarkspins, en concludeerde dat slechts ongeveer 13% van de nucleonspin hiermee verklaard kon worden. De analyse werd spoedig na het verschijnen van de EMC-publicatie bevestigd, en de term ‘spincrisis’ werd geïntroduceerd. Een nauwkeurige meting van de spinafhankelijke structuurfunctie voor het neutron, die nodig is voor deze bepaling en die het slechtst bekend was, kreeg de hoogste prioriteit. In 1997 ging het FOM-programma “Nucleon spin, flavour and glue” van start,

Spin in het proton. Illustratie DESY

waarin een ambitieuzer doel werd gesteld: “het bepalen van de bijdrage van de verschillende quarksmaken aan de spin van het nucleon en het vinden van de gluonbijdrage daaraan”. Samenwerking met het HERMES-experiment werd gekozen om dit doel te bereiken. Met de goede deeltjesidentificatie van de HERMES-spectrometer konden de bijdragen van de quarkspin, gescheiden naar quarksmaak, aan de nucleonspin worden bepaald. Ook heeft HERMES uitspraken kunnen doen over de bijdragen van de gluonen en het baanimpulsmoment door metingen (vaak als eerste) aan asymmetrieën van bijzondere processen. Hoewel de analyse van deze laatste metingen nog

Tijdens de loop van het programma heeft NIKHEF met succes instrumentatieprojecten voor HERMES uitgevoerd. Vernieuwend waren de ontwikkeling en bouw van de eerste grote MSGC-detector in een realistische omgeving, en van een silicon detector-systeem in het vacuüm van de versneller. Daarnaast is bijgedragen aan de bouw van een grote EM-calorimeter, het bedrijven van het gepolariseerde target en de longitudinale bundelpolarimeter en de bouw van een silicon terugstootdetector.

Het FOM-programma “HERMES (DESY): Nucleon spin, flavour and glue” is in 2007 afgesloten.


FOM-programma 7

Physics at the TeV scale: ATLAS

ATLAS geïnstalleerd: “Let the games begin!”

De ATLAS-collaboratie bouwt een grote, veelzijdige detector voor het doen van fysica bij de Large Hadron Collider (LHC), een proton-proton botsingsring met een zwaartepuntsenergie van 14 TeV bij CERN in Genève. Het NIKHEF is een belangrijke partner in de ATLAS-collaboratie, met verantwoordelijkheden voor delen van het magneetsysteem, de inner detector in het hart van ATLAS, en het muonsysteem, plus een omvangrijke infrastructuur voor computing en data-analyse via een samenwerking met het academisch rekencentrum SARA in Amsterdam, en dit alles gecombineerd met ambitieuze plannen in de fysica-analyse. Per december 2007 is de ATLAS-detector, op enkele kleine onderdelen na, geïnstalleerd op zijn positie rondom een botsingpunt van de LHC-bundels. Belangrijke momenten in 2007 voor de Nederlandse bijdragen aan ATLAS waren daarbij de installatie van de endcap toroïde (ECT) magneten, en een endcap van de silicium strip-detector. De twee ECT-magneten zijn door het Engelse Rutherford Appleton Laboratory ontworpen, en door NIKHEF in nauwe samenwerking met de Nederlandse industrie (Corus, Machinefabriek Amersfoort, Brush-HMA, RDM en Schelde Exotech) gebouwd. Spoelen van supergeleidende kabel zijn gemonteerd in twee aluminium vacuümvaten van 11 meter diameter. Het vacuümdichte laswerk en de stringente maattoleranties waren hoogstandjes.

De op het NIKHEF gebouwde endcap van de silicium strip-detector is in mei in ATLAS geïnstalleerd en daarna bekabeld en getest. Na een grote inspanning om het koelsysteem draaiend te krijgen was de detector eind van het jaar operationeel. Het muonsysteem, dat grotendeels in 2006 al geïnstalleerd was, is verder uitgerust met uitlijnsystemen en uitleeselektronica. Regelmatig wordt data genomen met behulp van muonen uit kosmische straling; deze data test zowel de muonapparatuur als de infrastructuur voor de dataverwerking: een continue datastroom naar het analysecentrum bij SARA is gerealiseerd.

ATLAS is bijna klaar; naar verwachting zal de LHC medio 2008 haar eerste bundels leveren. Ter oefening, en ter exploitatie van de kansen die het Tevatron in Chicago biedt, doen NIKHEF-fysici mee aan het D0experiment. Een gestage toename van de luminositeit van het Tevatron heeft geleid tot belangrijke resultaten op het gebied van topquarkfysica, B-mesonfysica, en een toegenomen gevoeligheid voor het zoeken naar het Higgsboson en supersymmetrie.

De Semi Conductor Tracker na installatie in de ATLAS-detector. Foto Heinz Pernegger (CERN)

Het doel van het FOM-programma “Physics at the TeV scale: ATLAS” is het vinden van het Higgsdeeltje of de Higgsdeeltjes en het zoeken naar supersymmetrie, plus het ontwikkelen en construeren van een detector voor deze en andere doeleinden. De looptijd van het programma is 1997-2015 en het budget voor die periode bedraagt 47,1 miljoen euro. De leiding van het programma is in handen van prof.dr. S. Bentvelsen (SAF/NIKHEF).


FOM-programma 21

Relativistic heavy-ion physics: ALICE

Silicium strip-detector in ALICE werkt

werden instellingen gevonden waarbij de detector voldoende gekoeld wordt en het water op onderdruk blijft: een lekvrij systeem. Omdat de digitalisatie van de signalen plaatsvindt in elektronicarekken buiten de solenoïdemagneet, moeten de analoge signalen zo’n 40 meter reizen. Dichtbij de detector, waar de ruimte beperkt is, zijn speciale, zeer dunne kabels gebruikt. Het

Terwijl 2006 het jaar was van de integratie van de silicon strip detector (SSD), stond 2007 in het teken van het inbouwen en testen van deze detector in ALICE. Het verbinden en vooral het testen van de kabels met hun 1500 connectoren was de grootste Nederlandse technische activiteit in 2007. Eind januari is de in Italië gebouwde silicon drift detector (SDD) in de SSD geschoven en bekabeld. Een gemeenschappelijke test met een paar ladders van beide systemen liet geen onderlinge beïnvloeding zien. Op 15 maart is het geheel neergelaten in de ALICE-put en door de time projection chamber (TPC) heen naar het interactiepunt geschoven. Tot in september zijn alle kabels en koelbuizen aange-

bracht en getest. Op 26 september werd de TPC op zijn uiteindelijke plaats gerold. Na een test van het totale systeem bleek dat enige detectoren niet functioneren, maar de SSD zit nog steeds binnen de specificatie van 3%. Zeer veel mankracht was nodig voor het realiseren van een goede verbinding met de buitenwereld. Het koelsysteem, dat gedeeld wordt met de SDD, bleek moeilijk in te regelen. Uiteindelijk

solderen van deze 0,1 millimeter dikke geleiders is uiteindelijk door een buitenlandse firma gedaan, na diverse pogingen daartoe in Nederland. Verder naar buiten zijn dikkere kabels gebruikt, voor een kleiner verlies aan signaal en vermogen. De 288 kabelbundels bevatten 25000 draden met een totale lengte van 80 km en een massa van 110 kg. Op 19 maart werd een klein systeem bestaande uit een reserveladder en reserve-elektronica met succes geïntegreerd in het trigger-, besturings- en data-acquisitiesysteem van ALICE. De integratie van de hele detector in november verliep dan ook probleemloos. In december zijn dan eindelijk de eerste tests gedaan met kosmische straling. De analyse is nog gaande, maar de eerste deeltjes zijn door de SSD gedetecteerd: een mijlpaal!

Het inner tracking system (ITS) met daarin de silicon strip detector (SSD) van NIKHEF gedurende de installatie van de time projection chamber (TPC). Tijdens deze verplaatsing ligt de ITS op de rechthoekige balken. Deze balken worden verwijderd zodra alles op zijn plaats is. Het blauwe object is de achterzijde van de TPC, het conische voorwerp is de absorber voor de muonspectrometer. Hierop zijn de kabels van de ITS vastgemaakt. Het gemetalliseerde folie dat de ITS omsluit dient als een thermische barrière tussen ITS en TPC, maar is ook deel van de kooi van Faraday van de SSD.

Het doel van het FOM-programma “Relativistic heavy-ion physics: ALICE” is het vinden van de faseovergang van hadronische materie naar een vrij quark-gluonplasma en het ontwikkelen en construeren van een detector om botsingen met zware ionen te bestuderen. De looptijd van het programma is 1998-2013 en het budget voor die periode bedraagt 13,1 miljoen euro. De leiding van het programma is in handen van prof.dr. T. Peitzmann (UU).


FOM-programma 23

Physics with b-quarks: LHCb

Het hart van de LHCb-detector zit op de goede plaats actiepunt en de sensoren zitten. Hiertoe zijn de sensoren binnen het vacuümsysteem geplaatst. De meest nabije strips zitten op 8 millimeter van de protonbundel. Bij injectie en versnelling van een nieuwe bundel protonen in de LHC-ring is het noodzakelijk de detectoren tot 30 millimeter van de bundel terug te trekken. Tevens mag het ultrahoge vacuüm van LHC absoluut niet vervuild worden door uitgassing van draagconstructies, uitleeselektronica, kabels en vacuümdoorvoeren. Bovendien moeten de detectoren worden afgeschermd tegen hoge elektromagnetische velden die door de protonenbundels worden opgewekt.

Met de installatie van de VELO (VErtex LOcator) detector in oktober 2007 is een van de meest kwetsbare detectoren van het LHCb-experiment op zijn eindbestemming aangekomen. De VELO bestaat uit twee helften, die ieder bestaan uit 44 halvemaanvormige silicium strip-sensoren met bijbehorende uitleeselektronica. Om geen deeltjes te missen, is een geringe overlap van de twee detectorhelften vereist. De neutrale b-mesonen die in het interactiepunt bij proton-proton-botsingen in

De installatie van een van de detectorhelften. De detectorhelft wordt via een railconstructie in de detectordoos geschoven. De geribbelde structuur rechts in het midden is een balg, die de beweging tijdens bundelinjectie mogelijk maakt. Op de achtergrond is het ‘toblerone’folie zichtbaar. Iedere silicium sensor wordt met 16 chips uitgelezen. De signalen worden door flexibele kapton kabels (de rode banden op de foto) naar de vacuümdoorvoeren getransporteerd.

LHC worden gevormd, leggen gemiddeld zo’n 7 millimeter af alvorens in andere deeltjes uiteen te vallen. Het doel van de VELO is de plaats van dit verval te bepalen en de sporen van de vervaldeeltjes vast te leggen. Een niet met het interactiepunt samenvallende vervalsvertex levert een unieke markering voor b-mesonen op. Om hun taak met voldoende oplossend vermogen te kunnen uitvoeren, moeten de sensoren dicht bij het interactiepunt zitten en mag er slechts een zeer geringe hoeveelheid materiaal tussen het inter-

Daarom is besloten de beide detectorhelften in een goedgeleidende en vacuümdichte doos te plaatsen. Om zo weinig mogelijk last te hebben van meervoudige verstrooiing, is voor een dunwandige doos van aluminium gekozen. Dit heeft geresulteerd in een gecompliceerde ‘toblerone’-achtige vorm aan de bovenzijde van deze doos. Deze is gemaakt door een 0,3 millimeter dik aluminiumfolie bij hoge temperatuur en druk in de gewenste vorm te persen. De afstand tussen folie en de kwetsbare sensoren bedraagt 1 millimeter. Dit maakte de installatie een delicate operatie, die uiterst succesvol is uitgevoerd.

Het doel van het FOM-programma “Physics with b-quarks: LHCb” is het vinden van CP-schending in het verval van B-mesonen, het vaststellen van elementen van de CKM-matrix en het construeren van detectoren bij CERN. Sinds eind 2002 wordt geparticipeerd in het BaBar-experiment op SLAC. De looptijd van het programma is 1999-2014 en het budget voor die periode bedraagt 31,0 miljoen euro. Het management is in handen van prof.dr. M.H.M. Merk (SAF/NIKHEF).


FOM-programma 24

Operation, development and improvement of the AGOR cyclotron

Nieuwe inzichten nodig voor betere ECR-ionenbronnen 1

2 a

2 b

Figuur 1. Staafdiagram met de berekende (donkerblauw) en gemeten (lichtblauw) ladingsgraadverdeling van 20Ne-ionen voor de AGOR 14 GHz ECR-ionenbron. Figuur 2. Ruimtelijke verdeling van 20Ne1+- (a) en 20Ne6+-ionen (b) ter plekke van de plasma-elektrode. De drievoudige symmetrie wordt veroorzaakt door het hexapool magneetveld dat zorgt voor de radiële opsluiting van het plasma. In de afgelopen 25 jaar is de performance van de ECR-ionenbronnen, die bij vrijwel alle versnellerfaciliteiten gebruikt worden voor de productie van meervoudig geladen ionenbundels van elementen zwaarder dan He, spectaculair verbeterd. Deze verbetering (hogere intensiteit en hogere ladingsgraden) is in belangrijke mate gebaseerd op het gebruik van sterkere magnetische velden voor de opsluiting van het plasma en microgolfzenders met hogere frequentie (van 6 tot 10 GHz rond 1980 naar 28 GHz nu) voor de verhitting van de elektronen in het plasma, die in opeenvolgende elektron-ionbotsingen ionen met een steeds hogere ladingsgraad produceren. Hierbij is nu een punt bereikt waar verdere verbetering, noodzakelijk om aan de specificaties van de volgende generatie experimenten te voldoen, naast technologische ontwikkeling een diepgaand inzicht vergt in de processen in zowel het plasma als de extractiezone, waar de externe elektrische en magnetische velden en sterke ruimteladingseffecten de eigenschappen van de ionenbundel bepa-

len. Gedetailleerde simulaties van zowel de processen in het plasma als het ionentransport zijn hierbij een belangrijk gereedschap. De modellen in de simulaties worden getoetst door experimentele metingen en de resultaten van simulaties voor de bestaande 14 GHz ECR-ionenbron van de AGOR-faciliteit te vergelijken. Uit metingen blijkt dat de simulaties de relatieve bundelintensiteit en de ladingsgraadverdeling als functie van de plasmadichtheid, die bepaald worden door het ingestraalde microgolfvermogen, goed voorspellen. Een voorbeeld hiervan is gegeven in figuur 1, die de gemeten en berekende ladingsgraadverdeling voor 20Ne-ionen

De simulaties leveren ook informatie over de intensiteitsverdeling in de faseruimte voor elk van de ladingsgraden. In figuur 2 is de projectie van deze verdeling ter plekke van de plasma-elektrode op het XY-vlak afgebeeld voor de verschillende ladingsgraden van 20Ne. In deze verdeling is de symmetrie van het hexapool magneetveld, dat zorgt voor de radiale opsluiting van het plasma, duidelijk zichtbaar. Daarnaast blijkt de breedte van de verdeling kleiner te worden voor hogere ladingsgraden. Bundelafmetingen afgeleid uit de berekende verdelingen zijn in goede overeenstemming met experimentele resultaten.

weergeeft.

Het doel van het FOM-programma “Operation, development and improvement of the AGOR cyclotron” is het leveren van bundels aan in- en externe gebruikers en aan gebruikers uit andere vakgebieden, het verruimen van de wetenschappelijke mogelijkheden van AGOR door het ontwikkelen van nieuwe bundels en het verbeteren van de bedrijfsvoering van AGOR door een grondige kennis van relevante versnellertechnologie. De looptijd van het programma is 1999-2013 en het budget bedraagt 4,9 miljoen euro. De leiding van het programma is in handen van dr. S. Brandenburg (KVI).


FOM-programma 26

Interacting hadrons

De sterke kernkracht verder in kaart gebracht

Vele eigenschappen van materie onder ‘gewone’ aardse omstandigheden worden bepaald door de wisselwerking tussen de bouwstenen van atoomkernen, de nucleonen of, in het algemeen, de hadronen. Sleutelexperimenten in twee-, weinig- en veel-deeltjessystemen zijn noodzakelijk om dieper inzicht te verschaffen in de sterke wisselwerking. De theoretische analyse van meetgegevens maakt gebruik van modellen, die gebaseerd zijn op de fundamentele theorie van de quantumchromodynamica (QCD). QCD-berekeningen kunnen in goede benadering uitgevoerd worden voor de interacties van elementaire deeltjes, de quarks, bij zeer hoge energieën. In gewone materie spelen echter processen bij veel lagere energieën een dominante rol waarbij juist de complexe structuur van QCD tot uitdrukking komt. De sterke kernkracht wordt daarom beschreven met behulp van zogenaamde semi-fenomenologische theorieën, gebaseerd op nucleon-nucleonpotentialen (NNP) die bepaald worden met behulp van de quantumveldentheorie. De twee-deeltjesinteracties van nucleonen zijn in FOM-programma 26 zeer nauwkeurig bestudeerd door gebruik te maken van het bremsstrahlungproces. Met een hoge significantie zijn door zowel reële als virtuele fotonen de elektromagnetische stromen in de nucleon-nucleonwisselwerking bepaald, met als uitkomst dat nucleonexcitaties, zelfs voor lage energieën, onmisbaar zijn in de berekeningen. In grotere systemen leiden de zo bepaalde NNP tot discrepanties die geweten worden aan ontbrekende kennis van goede drienucleonpotentialen (3NP). In drie-deeltjessystemen laten systematische metingen van werkzame doorsneden zien dat uitsluitend gebruik van NNP absoluut onvoldoende is om tot een goede

Werkzame doorsneden voor elastische proton-deuteronverstrooiing als functie van de verstrooiingshoek van het proton in het zwaartepuntsysteem, voor verschillende inkomende energieën van het proton. De open vierkantjes tonen de nieuwe KVI-data, terwijl de andere symbolen metingen van andere laboratoria weergeven. De zwarte kromme toont resultaten van Faddeev-berekeningen op basis van uitsluitend NNP, terwijl in de grijze kromme ook effecten van 3NP verwerkt zijn. De afwijkingen tussen experiment en theorie nemen toe met grotere verstrooiingshoek en hogere energie.

beschrijving te komen van verstrooiingsverschijnselen, maar dat het toevoegen van 3NP ook nog niet tot het gewenste resultaat leidt. Hetzelfde beeld wordt gevonden voor spin-afhankelijke observabelen. In wisselwerkingen van zware kernen wordt het bremsstrahlungproces globaal goed beschreven door de superpositie van bremsstrahlungprocessen tussen twee nucleonen. Daarnaast werd in het hier beschreven onderzoek voor het eerst de coherente nucleaire bremsstrahlung gemeten en beschreven. ‘Meervoudige verstrooiing’ leidt tot de interferentie van fotonamplitudes met als consequentie

een verminderde opbrengst van fotonen met lage energieën. Het spectrum van fotonen is gebruikt voor een nieuwe thermometer voor hete kernmaterie. Bij excitatie-energieën in de orde van de nucleonmassa, overgedragen met fotonenbundels, werd het verval van nucleonresonanties in hyperonen (hadronen met ‘strange’-quarks) onderzocht. De theoretische analyse geeft aanleiding tot nieuwe excitatietoestanden van het nucleon. Drie-nucleonkrachten evenals de hyperon-nucleonwisselwerking zijn onder andere belangrijke ingrediënten in berekeningen van stabiliteit en opbouw van neutronensterren.

Het FOM-programma “Interacting hadrons” is in 2007 afgesloten.


FOM-programma 31

Fundamental interactions

Fluctuaties in kosmologische achtergrondstraling, steriele neutrino’s We leven in een quantumheelal - de fysica volgt de wetten van de quantummechanica. Voor de beschrijving van processen op grote schaal echter zijn kleine quantumsprongen meestal niet relevant. In dat geval voldoet een klassieke beschrijving waarvoor de quantumbegrippen niet nodig zijn. Dit zou men verwachten als het gaat om de kosmologische achtergrondstraling, de ‘na-gloei’ van de oerknal die tot ons komt uit grote en verre gebieden van het heelal. Nauwkeurige metingen hebben deze straling de laatste jaren in kaart gebracht. Deze straling kent fluctuaties in intensiteit, die gegroeid zijn uit minieme afwijkingen vlak na het begin van de oerknal. Correlaties hiertussen kunnen verklaard worden met klassieke fysica. Maar volgens de huidige inzichten waren die minieme afwijkingen juist pure quantumfluctuaties, ontstaan tijdens een korte periode van versnelde expansie in de oerknal. Nader onderzoek in de werkgroep FOM-A-01 bij de Universiteit van Amsterdam laat zien dat verschillen tussen de gangbare klassieke beschrijving en de quantumbeschrijving, quantumcorrecties, groter worden in de tijd. De vraag is of quantumcorrecties verwaarloosd kunnen worden in de beschrijving van de achtergrondstraling. Als dit niet het geval is dan kunnen preciezere metingen met toekomstige satellieten ons een dieper inzicht geven in de beginstadia van ons heelal. Steriele neutrino’s zouden de donkere materie kunnen verklaren die volgens de huidige inzichten een cruciale rol gespeeld heeft bij de vorming van sterrenstelsels. Hun bestaan wordt voorspeld in modellen die de recent waargenomen neutrino-oscillaties verklaren. Daarin gaan verschillende soorten ‘actieve’ neutrino’s in elkaar over volgens een zuiver quan-

tummechanisch proces, dat lijkt op interfererende golven. De modellen voorspellen ook overgangen tussen actieve en steriele neutrino’s, en daarmee de creatie van donkere materie in het vroege heelal. Echter, in dit geval kan men aanvoeren dat

een meer klassieke beschrijving waarin het concept van oscillaties niet voorkomt beter is. Die geeft een resultaat dat iets gunstiger lijkt voor de hypothese dat de donkere materie uit steriele neutrino’s bestaat (zie de figuur).

De massa van het lichtste steriele neutrino als functie van een menghoek, in een vereenvoudigd model voor de verklaring van donkere materie. Rood: berekening met neutrino-oscillaties (Abazajian, PRD73(2006)063506). Blauw: berekening zonder oscillaties. Het gevulde gebied links in de figuur is niet uitgesloten door recente astronomische waarnemingen (Boyarski et al, A&A 471(2007)51, Seljak et al., PRL97(2006)191303). De rode en blauwe curven gaan niet door dit gebied, zodat dit model voor de verklaring van alle donkere materie op losse schroeven is komen te staan.

Het doel van het FOM-programma “Fundamental interactions” is het bestuderen van theoretische modellen die gericht zijn op het voorspellen en beschrijven van nieuwe en bestaande experimentele resultaten, het begrijpen van de conceptuele basis van de quantumveldentheorie en zijn symmetrie-eigenschappen in het bijzonder en het bestuderen van de quantummechanische beschrijving van zwaartekracht en de aard van ruimte en tijd. De looptijd van het programma is 1999-2007; het budget voor die periode bedraagt 4,2 miljoen euro. De leiding van het programma is in handen van prof.dr. P.J.G. Mulders (VU).


FOM-programma 47

ANTARES: A cosmic neutrino observatory

ANTARES: eerste resultaten

In 2007 zijn de waarnemingen met de ANTARES neutrinotelescoop begonnen. Deze telescoop wordt gebouwd om te speuren naar kosmische neutrino’s die informatie kunnen verschaffen over de oorsprong van zeer energierijke kosmische stralen en de samenstelling van donkere materie. Kort na het begin van het jaar zijn vijf detectorlijnen van de telescoop aangesloten op het kuststation nabij Toulon in Zuid-Frankrijk. Daardoor werd het mogelijk om met ruim 40% van het uiteindelijk beschikbare detectorvolume metingen te verrichten. Gedurende de daarop volgende tien maanden is deze ‘5-lijnsdetector’ volop in bedrijf geweest. Daarmee werd niet alleen aangetoond dat het gekozen detectorconcept succesvol is, maar zijn ook de eerste wetenschappelijke meetgegevens verkregen. Zo lukte het in de zomer van 2007 om op basis van de metingen die in de eerste maanden van het jaar verzameld zijn op ondubbelzinnige wijze aan te tonen dat ANTARES daadwerkelijk neutrino‘s heeft gedetecteerd. Hiermee is het primaire doel van dit FOM-programma verwezenlijkt: aan te tonen dat het mogelijk is een neu-

Gereconstrueerde afbeelding van een deeltjesspoor dat waargenomen is met de 10-lijnsdetector van de neutrinotelescoop ANTARES. De afbeelding geeft de status van ANTARES in december 2007 weer. Elke detectorlijn heeft een lengte van 450 meter en draagt 75 lichtgevoelige detectoren. Het raster dat getekend is op de bodem van de zee heeft een omvang van 300 bij 300 m2. De gekleurde bollen geven de waargenomen lichtsignalen weer. De omvang van de bol is een maat voor het aantal fotonen, en de kleur representeert de relatieve aankomsttijd (van rood bij 0 microseconde tot paars bij 2,5 microseconde). Illustratie Aart Heijboer, Fermilab

trinotelescoop met een oppervlak van 0,1 km2 te bouwen op de bodem van de Middellandse Zee om daarmee hoogenergetische neutrino’s waar te nemen. De Nederlandse bijdragen aan dit succes zijn omvangrijk. In ANTARES is een revolutionair uitleesconcept gebruikt (‘alldata-to-shore’) dat het mogelijk maakt een kosmische bron softwarematig te volgen met een zeer lage detectiedrempel van slechts zeven fotonen. In 2007 is dit systeem met de 5-lijnsdetector in gebruik genomen, en toegepast voor het zoeken naar neutrino’s afkomstig van gammaflitsen. Op basis van een satellietsignaal werd er in de richting van de gammaflits gespeurd naar neutrino’s. De analyse is gaande, maar nu kan al gesteld worden dat het systeem uitstekend werkt. In de loop van het jaar is ook een systeem voor het volgen van het centrum van het Melkwegstelsel operationeel geworden. Aan het einde van het jaar zijn nog eens vijf detectorlijnen van ANTARES aangesloten en in gebruik genomen. Dat wil zeggen dat de telescoop nu voor meer dan 80% operationeel is. De eerste metingen met de 10-lijnsdetector zijn al uitgevoerd. ANTARES zal in 2008 worden voltooid.

Het doel van het FOM-programma “ANTARES: a cosmic neutrino observatory” is aan te tonen dat een 0,1 km2 grote neutrinodetector in de Middellandse Zee werkt, er het spectrum van hoog-energetische kosmische neutrino’s mee te meten en mogelijkerwijs astrofysische verschijnselen als gammaflitsen waar te nemen. De looptijd van het programma is 2001-2007 en het budget voor die periode bedraagt 9,2 miljoen euro. De leiding van het programma is in handen van prof.dr. G. van der Steenhoven (SAF/NIKHEF).


FOM-programma 48

Trapped radioactive isotopes: micro-laboratories for fundamental physics

Weg naar het vangen van radium in een magneto-optische val geopend Een hoofddoel van het TRIμP-programma in het Kernfysisch Versneller Instituut (KVI) is het onderzoek aan systemen waarin schending van het principe van invariantie onder tijdsomkering mogelijk is. De systemen die onderzocht worden zijn alkali- en aardalkali-atomen. Deze atomen kunnen gekoeld worden in een laserval (magneto-optical trap, MOT), waardoor zeer precieze metingen mogelijk worden. Men zoekt bijvoorbeeld of een zwaar atoom een permanent elektrisch dipoolmoment heeft; een dergelijk moment schendt tijdsomkering. Speculatieve modellen zoals supersymmetrie voorspellen een zeer klein elektrisch dipoolmoment dat echter veel sterker is dan het succesvolle Standaardmodel aangeeft. De zwaarste alkali- (francium) en aardalkali(radium) atomen zijn echter radioactief. Daarom moet een atoomval zeer effectief zijn om met relatief weinig atomen toch een goede meting te kunnen doen. Om radium effectief te kunnen vangen

Figuur 1. De fluorescentie van gevangen Baatomen in de magneto-optical trap. Het groene licht wordt bepaald door de belangrijkste koelingsovergang 1S0-1P1. Figuur 2. De fluorescentie van de gevangen Ba-atomen als functie van de laser-’detuning‘ van de 1S0-1P1-overgang. Figuur 3. De aanwezigheid van een radioactieve bundel kan men volgen aan de hand van de telsnelheid in detectoren langs de bundellijn. De rode curve laat zien hoe de radioactiviteit in de thermal ionizer toeneemt en afneemt als de radioactieve bundel (21Na T1/2 = 22,5 s) gedurende 125 seconden aanstaat. De output (blauwe curve) volgt de input; het verschil is het gevolg van de diffusie van het radioactieve natrium in de ionizer. De output als functie van de temperatuur van de ionizer is ook weergegeven.

hebben de KVI-onderzoekers een koelschema ontwikkeld voor het vergelijkbare atoom barium. Tot nu toe ontbrak barium in de lijst van gevangen atomen vanwege de vele ‘lekken’ in het koelschema. Met behulp van zeven verschillende lasers is een schema gevonden dat het nu voor de eerste keer mogelijk maakt om barium in een MOT te vangen (zie figuren 1 en 2). De gevonden methode is zeer effectief en zal nu gebruikt worden om radium in een MOT te vangen. Theoretisch kan men de grootte van het elektrisch dipoolmoment in radium voorspellen op basis van de mate van schending van tijdsomkering. Uit het theoretische werk binnen het TRIμP-programma is gebleken dat dit tot nu toe in de bestaande literatuur verkeerd is gedaan. De theoretische behandeling was onvolledig en bevatte benaderingen die meestal niet gerechtvaardigd kunnen worden. De KVItheoriegroep zal daarom verbeterde berekeningen doen aan de meest belangrijke gevallen, waaronder radium.

1

2

3

Een andere manier om tijdsomkering te onderzoeken is door gebruik te maken van bètaverval. In het TRIμP-programma wordt hiertoe het verval van 21Na gebruikt. Dit isotoop wordt bij hoge energie geproduceerd. Om er een langzame ionenbundel van te maken, worden de deeltjes eerst volledig afgeremd in een “thermal ionizer”. Deze overgang moet efficiënt verlopen om zo min mogelijk deeltjes te verliezen. Recente metingen

laten zien dat de thermal ionizer goed werkt en dat de werking ervan goed beschreven kan worden (zie figuur 3).

Het doel van het FOM-programma “Trapped radioactive isotopes: micro-laboratories for fundamental physics” is het bouwen en bedrijven van de faciliteit TRIμP. Die gebruikt kortlevende radioactieve isotopen, gemaakt m.b.v. bundels uit AGOR. De isotopen worden afgeremd en gevangen in vallen. Daar worden vervalsstudies gedaan waarmee aspecten van het Standaardmodel kunnen worden getoetst en atoomfysische experimenten uitgevoerd. De looptijd van het programma is 2001-2013 en het budget voor die periode bedraagt 9,6 miljoen euro. De leiding van het programma is in handen van prof.dr. K.-P. Jungmann (KVI).


FOM-programma 52

Theoretical subatomic physics

Supersymmetrie

Symmetrieën vormen de sleutel tot het begrip van elementaire deeltjes en de fundamentele wisselwerkingen. Het Standaardmodel voor sterke en elektrozwakke interacties van quarks en leptonen is gebaseerd op ijksymmetrieën, die bepalen welke deeltjes bij wisselwerkingen in elkaar kunnen overgaan. Daarbij kunnen leptonen overgaan in andere leptonen, en quarks in andere quarks, maar een lepton kan niet rechtstreeks worden omgezet in een quark of omgekeerd. Er zijn veel aanwijzingen dat het Standaardmodel niet de hele subatomaire fysica omvat. Zo ontbreekt de zwaartekracht, evenals de donkere materie in het heelal. Een voorstel om een groot aantal onbegrepen aspecten van het Standaardmodel te verklaren is het invoeren van een nieuwe universele symmetrie, die bosonen met fermionen verbindt: supersymmetrie. Een foton met spin 1 heeft dan een ongeladen partnerdeeltje met spin 1/2, een fotino; en een quark met spin een 1/2 kan overgaan in een sterk wisselwerkend deeltje met spin 0, een squark. Ook het graviton, drager van de zwaartekracht, krijgt dan een fermionpartner, het gravitino. De uitbreiding van de zwaartekrachtstheorie met supersymmetrie noemt men supergravitatie. Dit voorstel kan alleen werken als veel van de nog onontdekte partnerdeeltjes

De deeltjes uit het Standaardmodel en hun supersymmetrische tegenhangers schematisch weergegeven. Illustratie DESY

een grote massa hebben vergeleken met bekende deeltjes. De karakteristieke massaschaal voor deze nieuwe materie is onzeker. Ligt deze in de buurt van 1 TeV/c2, dan duiken er ongetwijfeld nieuwe deeltjes op bij de LHC, die binnenkort op CERN van start gaat. Ligt de karakteristieke massa eerder in de buurt van de Planckschaal, of bij een unificatieschaal daar vlak onder, dan is het onzeker of er bij de LHC nog iets van terug gevonden wordt. In dat geval is het mogelijk dat astrofysische of kosmologische waarnemingen alsnog uitsluitsel geven. Het onderzoek van de theoriegroep van het NIKHEF richt zich op de consequenties van supersymmetrie voor unificatiemo-

dellen en het spectrum van neutrino’s; en voorts op de asymmetrie tussen materie en antimaterie, op de eigenschappen van kosmische snaren, en het optreden van een fase van versnelde uitdijing van het vroege heelal, de kosmische inflatie. Deze studies zijn zowel voor de LHC als voor de kosmologie van belang.

Het doel van het FOM-programma “Theoretical subatomic physics” is het beschrijven en verklaren van de eigenschappen en interacties van subatomaire deeltjes. De nadruk ligt hierbij op de constructie en evaluatie van modellen binnen het raamwerk van de quantumveldentheorie. De ontwikkeling van analytische en computationele instrumenten voor dit onderzoek is ook onderdeel van het programma. De looptijd van het programma is 2000-2008 en het budget voor die periode bedraagt 5,4 miljoen euro. De leiding van het programma is in handen van prof.dr. E.M.L.P. Laenen (SAF/NIKHEF).


FOM-programma 57

String theory and quantum gravity

Zwarte gaten verklaren het quark-gluonplasma In 2003 ontdekten de experimentele collaboraties die aan de Relativistic Heavy Ion Collider in Brookhaven werken een compleet “nieuwe fase van materie”: het quark-gluonplasma (QGP). De experimentele ontdekking is opmerkelijk genoeg gebaseerd op een observatie die theoretisch onverwacht was. Het QGP gedraagt zich als de ‘meest perfecte’ vloeistof ooit, die nauwelijks energie dissipeert. Vanuit het oogpunt van quarks en gluonen, suggereert dit dat deze nog steeds sterk gekoppeld zijn, ondanks dat ze zich nu vrijer bewegen. Deze wonderlijke waarneming maakt een groot deel van het theoretische begrip van QGP nutteloos. Het met-s-van-’strong’ herdoopte sQGP ligt buiten de reikwijdte van de storingstheorie van de sterke kracht, QCD. Is er een ‘gebruiksvriendelijkere’ beschrijving van deze sterk-gekoppelde theorie te identificeren in termen van collectieve vrijheidsgraden, die wel zwak gekoppeld zijn? Bouwend op jarenlange inzichten dat de sterke kracht tussen twee quarks als een effectieve string kan worden beschouwd, ontdekte nu tien jaar geleden J. Maldacena de kwantitieve verhouding tussen ijktheorieën - de klasse van quantumveldentheorieën (QFT) waar QCD toe behoort - en hele specifieke stringtheorieën. Als de ijktheorie schaalonafhankelijk is (de kracht verandert niet met de afstand) moet men een stringtheorie kiezen die in een vijfdimensionale anti-de Sitter (AdS) ruimte leeft. Een berekening

1

2

T

mn

q

v

R3,1 h mn ring t tal s n e am fund

AdS5 −Schwarzschild

horizon

via AdS/CFT (conforme-veldentheorie) van de eerste dissipatiecorrectie, de shear-viscosity, van het sQGP valt vele malen lager uit dan de vergelijkbare storingsrekening in QCD. Met de gelijktijdige observatie dat het sQGP bijna perfect is (de shear-viscosity moet bijna nul zijn), is deze revolutionair nieuwe AdS-stringtheoretische kijk op de fysica van normale quarks en gluonen zich naar buiten gaan verspreiden. Het is het begin van een revolutie. De exacte stringtheorie die bij QCD past is nog niet bekend; toch blijken vele simpele stringberekeningen verbazend goed de fysica van het sQGP te beschrijven. Deze nieuwe kijk breidt zich ook langzaam uit

naar de rest van de fysica. Vorig jaar zijn Hartnoll, Herzog, Kovtun en Sachdev begonnen het AdS/CFT-gereedschap te gebruiken voor de studie van quantumkritische faseovergangen in de vaste-stoffysica (zie pagina 63); deze blijken als sterkgekoppelde CFTs ideaal terrein voor stringtheorie te zijn. Hoe verbazingwekkend het nu nog klinkt, toekomstige experimenten in sterk-gekoppelde fysica zullen verklaard worden met stringberekeningen in anti-de Sitter zwarte gaten. De FOM-programma’s “String theory and quantum gravity” en “ALICE (CERN) Quark gluon plasma” doen onderzoek naar AdS/CFT en het sQGP.

Figuur 1. Twee kernen vormen door een botsing een sQGP. Figuur 2. Een voorbeeld van AdS/CFT: de vertaling van de stuwgolf van een zware quark die door het sQGP stroomt in een string die vanuit het oneindige richting een zwart gat in de anti-de Sitter ruimte neerwaarts hangt.

Het doel van het FOM-programma “String theory and quantum gravity” is significante vooruitgang te boeken op de onderzoekthema’s quantumzwaartekracht en zwarte gaten, supersymmetrie en superzwaartekracht, stringtheorie en M-theorie, en conforme-veldentheorie. De looptijd van het programma is 2002-2010 en het budget voor die periode bedraagt 4,1 miljoen euro. De leiding van het programma is in handen van prof.dr. E.P. Verlinde (UvA).


FOM-programma 29

Nanostructured opto-electronic materials

De kleinst mogelijke laser

Schaalverkleining van lasersystemen maakt het mogelijk lasers te integreren in steeds complexere systemen en steeds kleinere lichtbronnen te realiseren. Aan de vraag naar alsmaar kleinere apparatuur en steeds kleinere lasers lijkt geen einde te komen. Of toch? Het blijkt een keer op te houden. Dat toonden theoretisch natuurkundigen dr. Tom Savels van het FOM-Instituut voor Atoom- en Molecuulfysica (AMOLF), prof.dr. Ad Lagendijk (AMOLF en Universiteit Twente) en dr. Allard Mosk (Universiteit Twente) aan. Hun - theoretische - onderzoek laat zien dat lasers met vijf atomen ook heel goed functioneren en dat je zelfs genoeg hebt aan twee atomen voor een lasersysteem. Steeds is één van de atomen ‘gepompt’, dat wil zeggen met energie geladen, het andere fungeert als ‘spiegel’ en zorgt voor terugkoppeling. Er zijn geen macroscopische spiegels of trilholtes nodig om laserwerking te kunnen waarnemen. De uitgangsvraag van de onderzoekers was: wat is eigenlijk de limiet, het kleinst mogelijke aantal atomen dat je nodig hebt om een laser te bouwen? Tien, twintig, veel meer? Aanvankelijk dachten Lagendijk en Savels dat de magische grens veel hoger zou liggen, maar tot hun verrassing kwamen ze uit bij twee. Een laser verschilt van ‘gewoon’ licht of led-licht in die zin, dat in laserlicht één kleur domineert naarmate het licht intenser wordt. Savels stelde in zijn onderzoek vast dat die dominantie toeneemt naarmate het aantal atomen groter is. Deze vaststelling bracht rust in de gelederen der onderzoekers waar tot nu toe - bij gebrek aan een goede definitie - geen consensus bestond over wat een laser precies is. Savels, Lagendijk en Mosk maakten de afgelopen jaren veel wetenschappelijke congressen mee, waar hun collega’s het nog wel met elkaar eens waren als het om

grote lasers ging, maar niet meer als het kleine lasers betrof. Het promotieonderzoek van Savels behelst een voorstel tot consensus: iets is een laser wanneer - als je er meer energie in stopt - de dominantie van één kleur toeneemt. Dit onderzoek kan bijdragen op twee fronten. De voorspelde laserwerking geldt niet alleen voor atomen, maar ook voor een breed scala aan microscopische objecten zoals quantum dots (kunstmatige atomen), moleculen of DNA-ketens en kan zo tot interessante experimenten en toepassingen leiden. Daarnaast kan het onderzoek inzicht bieden in de processen die op microscopische schaal de laserdynamica beheersen om verdere technologische miniaturisatie te optimaliseren.

Slechts enkele atomen zijn in theorie voldoende om een laser te vormen. Eén van de atomen (rood) bevindt zich in een hogere energietoestand. Bij terugval naar een lagere energietoestand zendt dit atoom een foton uit. De andere atomen (blauw) fungeren samen als spiegel en weerkaatsen het foton. Verdere verstrooiing van fotonen in dit systeem zorgt voor gestimuleerde emissie. Het licht dat de atomen collectief uitzenden is laserlicht.

Het doel van het FOM-programma “Nanostructured opto-electronic materials” is het op atomaire schaal maken, manipuleren en modificeren van oppervlakken en dunne films voor vernieuwende optische, elektronische en opto-elektronische toepassingen. De looptijd is 1999-2007 en het budget voor die periode bedraagt 6,4 miljoen euro. De leiding van het programma is in handen van prof.dr. A. Polman (AMOLF).

52 Hoogtepunten uit het onderzoek • Nanofysica/-technologie

FOM-programma 32

Photon physics in optical materials

Ultrasnel verstemmen van een nanotrilholte

Het beheersen van de emissie en voortplanting van licht zijn belangrijke doelen in zowel natuurkunde, nanotechnologie als levenswetenschappen omdat licht, als drager van energie en informatie, zich met onvoorstelbare snelheid voortplant. Het temmen van licht is onderwerp van een nieuwe discipline, nanofotonica genoemd. In 1987 is voorspeld dat licht volledig kan worden beheerst met speciale nanostructuren: fotonische kristallen. Deze voorspelling vormde het startschot voor wereldwijd onderzoek aan dergelijke nanostructuren waarvan wordt verwacht dat ze bouwstenen zullen vormen van optische ‘chips’ waarmee men informatie als licht manipuleert. Als in zulke nanostructuren expres de symmetrie wordt gebroken, dan gaan deze zich gedragen als trilholtes waarin licht eindeloos heen en weer kaatst tussen de spiegels en zo een opgesloten staande golf vormt (zie figuur 1a). Als men een fotonische trilholte heel snel kan verstemmen, dan worden spectaculaire toepassingen mogelijk. Figuur 1b toont een trilholte die figuurlijk een korte tik krijgt, zodat een andere kleur licht wordt opgesloten. Het is belangrijk de trilholte zo snel te schakelen dat ingevangen licht subiet tot stilstand kan worden gebracht. Onderzoekers van het FOM-Instituut voor Atoom- en Molecuulfysica (AMOLF) en het CEA Instituut te Grenoble (Frankrijk) zijn erin geslaagd om het ultrasnel verstem-

Figuur 1. (a) Schematische weergave van een staande lichtgolf (lange golflengte, rood licht) die is opgesloten in een trilholte tussen twee ronde spiegels. (b) Met een korte laserpuls wordt de trilholte aangetikt zodat deze verstemt en licht met een andere kleur opsluit, in dit voorbeeld blauwer licht met kortere golflengte. (c) De kleurenschaal toont de gemeten verandering in reflectiviteit van een fotonische trilholte als functie van de golflengte en de tijd na het schakelen van de trilholte. Hieruit is de golflengte van trilholte af te leiden (zwarte symbolen). De trilholte verstemt binnen enkele picoseconden naar een kortere golflengte waarna hij relaxeert met een typische tijd van 50 picoseconden.

men van een geschakelde fotonische trilholte waar te nemen. De trilholte is gefabriceerd van halfgeleiders. Om de trilholte te schakelen wordt deze met een korte laserpuls aangetikt, zodat elektronen in de halfgeleider worden aangeslagen. Zo wordt de brekingsindex tijdelijk verlaagd, waardoor een staande golf met kortere golflengte (blauwere kleur) wordt opgesloten. Met een tweede korte laserpuls wordt de kleur van de geschakelde trilholte gemeten (zie figuur 1c). In dit experiment wordt de trilholte binnen 2 picoseconde blauwer. Dit is snel genoeg om licht met trilholtes in te vangen. Nadat de trilholte door de eerste laserpuls is geschakeld, keert deze met een typische tijd van 50 picoseconde in de oorspronkelijke staat terug.

Soortgelijke procédés worden inmiddels toegepast in nieuwe generaties snelle optische modulatoren. Voordat mogelijke ‘fotonische computerchips’ realiteit worden, dient nog veel te worden uitgezocht. Onderzoek richt zich op de rol van onvermijdelijke imperfecties van de nanostructuren, op ultiem snelle schakelmethodes en op het aan- of uitschakelen van lichtbronnen.

Het doel van het FOM-programma “Photon physics in optical materials” is het bestuderen van de fysica van nieuwe optische verschijnselen in nieuwe optische materialen en het toepassen van deze materialen in fotonische devices. Verder beoogt het programma het onderzoek op dit terrein in Nederland te versterken en samenwerking van onderzoeksgroepen te stimuleren. De looptijd is 1999-2008 en het budget voor die periode bedraagt 3,4 miljoen euro. De leiding van het programma is in handen van prof.dr. A. Polman (AMOLF).


FOM-programma 69

Self-organised nanostructures

Intelligente nanodeeltjes

Nanotechnologie en organische synthese hebben recent klassieke colloïden een facelift gegeven, bijvoorbeeld in de vorm van polymeermicellen. Dat zijn nanodeeltjes die gevormd worden via een fasescheiding op nanoschaal door associatie van blokcopolymeren en/of homopolymeren in een waterige (of organische) oplossing. Door een subtiele keuze van de polymeerblokken kunnen ‘intelligente’ micellen worden bereid met meerdere compartimenten, waarvan het aantal compartimenten kan worden gestuurd door oplossingseigenschappen, zoals zuurgraad, temperatuur en zoutgehalte. De functionaliteit van de compartimenten kan verschillen, bijvoorbeeld opslag van actieve componenten, barrière voor de verpakte componenten en (colloïdale) stabilisatie, waardoor deze polymeermicellen al met succes biomedisch worden toegepast in bijvoorbeeld drugs delivery. Bijzondere polymeermicellen ontstaan door associatie op basis van ladingsinteractie. Door het mengen van oplossingen van twee tegengesteld geladen polyelektrolieten ontstaan een zeer verdunde fase en een zogenaamd complexcoacervaat. Als we een wateroplosbaar neutraal blok koppelen aan een of beide polyelektrolieten dan wordt deze fasescheiding gestopt door de neutrale blokken. Deze polymeer-

micellen hebben afmetingen van enkele tientallen nanometers en bestaan uit een complexcoacervaatkern bekleed met een polymeerborstel. Men noemt deze nanodeeltjes ‘complex coacervate core micelles’, oftewel ‘C3Ms’. Onderzoekers van de werkgroep FOM-W01 bij Wageningen Universiteit bestuderen bijzondere C3Ms bestaande uit twee blokcopolymeren met twee verschillende neutrale blokken. De onderlinge mengbaarheid van deze neutrale blokken is in grote mate bepalend voor de structurele complexiteit van de C3Ms. De slecht mengbare combinatie van polyacrylamide en polyethyleenoxide leidt tot zogenaamde Janusmicellen, waarin elk van de blokken zich ophoopt aan een eigen kant. Daarentegen leidt de goed mengbare combinatie van polyisopropylacrylamide en

polyethyleenoxide tot bolvormige micellen waarin de neutrale blokken zich gelijkmatig over de hele schil rondom de micelkern verdelen. Omdat de polyisopropylacrylamide-blokken boven 32°C onoplosbaar worden, leidt verwarming van deze micellen echter door een spontane herstructurering tot drie concentrische compartimenten (zie de figuur). Het is een nieuwe klasse van zogenaamde ‘intelligente’ nanodeeltjes met een hoge structurele complexiteit.

Verwarming van bolvormige micellen, bestaande uit de goed mengbare combinatie van polyisopropylacrylamide en polyethyleenoxide leidt door spontane herstructurering tot deeltjes met drie concentrische compartimenten: intelligente nanodeeltjes.

Het CW/FOM/ESF-programma “Self-organised nanostructures” betreft het gebruiken van supramoleculaire interacties voor het synthetiseren en positioneren van functionele assemblages, macromoleculen, dendrimeren en nanodeeltjes. Ook wordt gestreefd naar een verbinding tussen de moleculaire schaal en de macroscopische wereld. Uiteindelijk moet dit leiden tot moleculaire zelf-assemblerende structuren die toepassing kunnen vinden in geavanceerde technologie. De looptijd van het programma is 2003-2008 en het FOM-aandeel in het budget voor die periode bedraagt 0,8 miljoen euro. De leiding van het programma is in handen van het managementcomité van de ESF.


FOM-programma 73

Solid state quantum information processing

Computergates in een quantumwereld

Computers worden steeds sneller en kleiner, en het lijkt onontkoombaar dat op quantummechanica gebaseerde computerelementen eens hun intrede zullen doen. Klassieke bits met waarden 0 of 1 worden dan quantum 2-niveausystemen of qubits met eigentoestanden |0> en |1> waarmee quantumcomputers kunnen worden gemaakt. Quantumelementen in een vaste stofomgeving zijn attractief omdat met microen nanofabricagetechnieken veel eigenschappen van deze elementen kunnen worden aangepast aan de experimentele/functionele eisen, en de stap van één-naar-veel relatief eenvoudig is te maken. Supergeleidende qubits zoals gebruikt in de Delftse werkgroep FOM-D04, zijn opgebouwd uit drie Josephsonjuncties in een lus. De stroom in de lus, die net als de bijbehorende flux twee richtingen kan aannemen, is de relevante quantumvariabele. Microgolfstraling resonant met de energiesplitsing induceert overgangen tussen |0> en |1>. Bij voldoende coherentie van het flux-qubit genereert een stralingsburst met een bepaalde tijdsduur door dit Rabi-floppingproces een goedgedefinieerde superpositietoestand van de twee eigentoestanden. Uitlezen van de eindtoestand gebeurt met een SQUID-fluxdetector. Ruim vijf jaar geleden is dit Rabi-gedrag voor het eerst door onderzoekers in de Delftse groep waargenomen in een enkel

Figuur 1. Een quasi-3D afbeelding met een atomic force microsope van het CNOT-sample. De twee achtvormige structuren zijn de qubits. De twee vierkanten in de bovenste helften van de ‘achten’ zijn de SQUIDfluxdetectoren. Figuur 2. De waarheidstabel van de CNOT.

1

2

qubit. Maar: één qubit maakt nog geen quantumcomputer; daarvoor zijn gekoppelde qubits nodig, zó dat er logische elementen ontstaan die conditioneel kunnen werken, bijvoorbeeld als AND of NOR. Het is de Delftse groep het afgelopen jaar gelukt een conditionele NOT-gate (CNOT) te maken. Twee flux-qubits, elk voorzien van eigen controle en uitlezing, zijn daarvoor magnetische gekoppeld door ze dicht tegen elkaar te leggen. De koppeling maakt van de twee 2-niveausystemen een enkel 4-niveausysteem. De CNOT-werking berust er nu op dat, afhankelijk van een Rabi-operatie op qubit 1, een specifiek niveau meer of minder bezet wordt. Door nu een tweede operatie te doen waarin qubit 2 meedoet en uitgaande van dat specifieke niveau, resulteert een eindresultaat dat afhangt van de mate waarin dat niveau bezet is: de conditionele gate.

Deze CNOT-gate is zeker niet ideaal, en vooral is verbetering in de (ongewilde) relaxatie tussen de niveaus nodig. Ook moet de uitlezing preciezer worden. Al deze ingrediënten zijn in voorraad. Daarnaast wil de groep naar meer dan twee qubits, en daarvoor wordt een universele maar qubit-paar-selectief te gebruiken harmonische oscillator-quantumbus geïntroduceerd. Een reeks fundamentele en meer gebruiksgerichte vragen ligt te wachten!

Het doel van het FOM-programma "Solid state quantum information processing" is het ontwikkelen van experimentele en theoretische technieken om gecontroleerd veeldeeltjesverstrengeling in vaste-stofsystemen te creëren en te detecteren. Het doel op de lange termijn is systemen te bouwen voor quantuminformatie en quantumrekenen. Het programma wordt uitgevoerd in de gelijknamige FOM-concentratiegroep. De looptijd van het programma is 2004-2013 en het budget voor die periode is 9,2 miljoen euro. De leiding van het programma is in handen van prof.dr.ir. L.P. Kouwenhoven (TUDelft).


FOM-programma 88

Materials-specific theory for interface physics and nanophysics

Elektronenstructuur van amorfe materialen

Wie is niet onder de indruk van de schoonheid van groeiende kristallen en de wiskundige beschrijving van complexe kristalstructuren? Toch bieden amorfe systemen mogelijkheden die kristallijne systemen missen. Een bekend voorbeeld is transformatorblik met zeer lage verliezen. Op dit moment staan amorfe magnetische materialen in het kader van de spintronica erg in de belangstelling. Amorfe materialen vertonen een grotere spinpolarisatie van de tunnelstroom dan kristallijne systemen. Amorfe halfgeleiders spelen een belangrijke rol bij fotovoltaïsche systemen. Werk aan bijvoorbeeld amorf silicium was oorspronkelijk gefocusseerd op de halfgeleidende eigenschappen en de invloed van waterstof op structuur en fysische eigenschappen. De belangstelling voor deze halfgeleiders is weer terug vanwege de eenvoudige, minder energie vereisende procesomstandigheden en superieure optische eigenschappen. Een betrouwbare berekening van de fysische eigenschappen vereist een nauwkeurige quantummechanische techniek, zonder het gebruik van empirische parameters. De berekening aan amorfe systemen is ingewikkelder dan die van kristallijne systemen. Amorfe systemen vertonen wanorde maar de atoomposities zijn verre van willekeurig. Zij vertonen een structuur, maar deze is niet bekend. Deze structuur is echter wel uit te rekenen met een procedure, die erg op het experiment lijkt. Men specificeert in de elektronen-

1

2

structuurberekening een temperatuur, die de kinetische energie van de atomen bepaalt, verhit het ensemble van atomen tot een hoge temperatuur en koelt snel af. Tot voor kort was de capaciteit van computers onvoldoende (en de methodes niet efficiënt genoeg) om resultaten met voldoende nauwkeurigheid te bereiken. In een samenwerking met de werkgroep FOM-E-05 (bij de afdeling Toegepaste Fysica van de TU Eindhoven) vergeleken onderzoekers in de Nijmeegse werkgroep FOM-N-16 de spinpolarisatie van de tunnelstroom voor zowel polykristallijn als amorf kobalt-ijzer-boor met de gemeten waardes. Ze vonden een vrijwel perfecte overeenstemming, waarbij vooral de verschillen tussen kristallijn en amorf uitstekend overeenstemden. Op het gebied van de amorfe halfgeleiders werd in een samenwerking met de werk-

groep FOM-D-11 bij DIMES (TUDelft) de toestandsdichtheid voor silicium gedoopt met waterstof berekend. Voor het eerst werd een bandgap verkregen vrij van gelokaliseerde elektronentoestanden. De bandgap is groter dan die van kristallijn silicium.

Figuur 1. Berekende structuur van een amorfe legering van kobalt-ijzer-boor. Rood = ijzer, wit = kobalt en blauw = boor. Figuur 2. Berekende toestandsdichtheden als functie van de energie voor amorf en kristallijn silicium met waterstof. De oorsprong van de energieschaal valt samen met de bovenkant van de valentieband van kristallijn silicium.

Het doel van het FOM-programma “Materials-specific theory for interface physics and nanophysics” is het begrijpen van de elektronische, optische, magnetische en structuureigenschappen van materialen en devices die zijn gestructureerd op een lengteschaal in de orde van nanometers. De looptijd van het programma is 2004-2014 en het budget voor die periode bedraagt 3,4 miljoen euro. De leiding van het programma is in handen van prof.dr. R.A. de Groot (RU).


FOM-programma 95

ERA-NET Nanoscience

Een nanokoelkast voor elektronen

E

1

E

Figuur 1. Energiediagram van een elektronenkoelkast.

2 Nb

Δ

Ef Ef

Nb

AlN Al

Figuur 2. Opname met een elektronenmicroscoop van een AlN-tunnelbarrière met hoge stroomdichtheid.

eV

Δ

Δ

Ef Δ Nb

S

I

N

I

Al

S

Jean Peltier ontdekte 170 jaar geleden al dat een junctie van twee verschillende metalen gekoeld kan worden door er een elektrische stroom door te sturen. Sindsdien is er een diversiteit aan thermoelektrische devices ontwikkeld, maar toch is er pas de laatste tien jaar intensief onderzoek gedaan naar koelers die werken bij cryogene temperaturen (< 4 K). Deze vinden toepassingen bij het on-chip koelen van microen nanodevices zoals ultragevoelige detectoren. Om een koeler te maken gebruiken onderzoekers in de Delftse werkgroep FOM-D-06 een combinatie van twee supergeleiders (S) met daartussen een normaal metaal (N), onderling gescheiden door tunnelbarrières (I). Door een spanning aan te leggen over de barrières, ontstaat een situatie waarbij enkel warme deeltjes ontsnappen,

en vervangen worden door koude (zie figuur 1). Hete elektronen verlaten het normale metaal, omdat er vrije toestanden beschikbaar zijn in de rechter supergeleider. Koude elektronen echter blijven opgesloten in N omdat er in S geen vrije toestanden zijn door de supergeleidende verboden zone. Analoog zijn het enkel koude elektronen (van de linker supergeleider) die N instromen. Doordat hete deeltjes N uitstromen en koude deeltjes N instromen gaat de gemiddelde energie (en temperatuur) van het elektronengas omlaag: een koelkast.

barrièremateriaal, maar tot nu toe moeilijk om reproduceerbaar te groeien. Met een nieuw ontwikkelde methode zijn de onderzoekers daar nu wel in geslaagd. In een stikstofplasma wordt N2 gebroken in stikstofradikalen (N) en ionen (N+, N-), die naar het aluminiumoppervlak diffunderen en een epitaxiale AlN-barrière vormen. Deze epitaxiale AlN-laag heeft een hogere uniformiteit ten opzichte van het amorfe AlOx en maakt daardoor een veel hoger koelvermogen mogelijk.

Omdat het koelvermogen stijgt bij grotere elektronenstromen is het wenselijk dat de isolerende barrières zo dun mogelijk zijn. Algemeen gebruikte amorfe AlOx-barrières hebben echter geen homogene transmissie. AlN is een geschikte vervanger als

Het FOM-programma “ERA-NET Nanoscience” maakt deel uit van het gelijknamige ERA-NET Nanoscience. Doel daarvan is de samenwerking en integratie van de nationale onderzoeksgemeenschappen in het nano-onderzoek in Europa te vergroten door transnationale onderzoeksprojecten. Een tweede doel is nationale systemen mogelijkheden te bieden gezamenlijk zaken aan te pakken die men afzonderlijk niet zou hebben kunnen doen. De looptijd van het programma is 2006-2012 en het FOM-budget voor die periode bedraagt 1,3 miljoen euro. De leiding van het programma is in handen van de Coordination Board ERA-NET Nanoscience.


FOM-programma 34

Strongly interacting condensed matter

Cooperparen in atomaire Fermigassen

Voor spinpolarisatie P = 0 zijn er evenveel deeltjes in elke spintoestand en is de Cooperparing optimaal. Voor volledige spinpolarisatie P = 1 zijn er slechts deeltjes in één enkele spintoestand, die geen interactie hebben. Daarom zijn er ook geen Cooperparen. Een belangrijke vraag is hoe de overgang tussen deze twee uitersten plaatsvindt als functie van de spinpolarisatie P.

Een belangrijke nieuwe ontwikkeling op het gebied van de ultrakoude atomaire gassen is het bestuderen van de superfluïde eigenschappen van een spin-gepolariseerd Fermigas in de buurt van een Feshbachresonantie. Een dergelijke resonantie treedt op wanneer twee atomen tijdens een botsing voor enige tijd een molecuul vormen. Het onderscheidende kenmerk van een Feshbachresonantie is dat dit molecuul een magnetisch moment heeft dat niet gelijk is aan twee keer het magnetisch moment van het atoom. Ten gevolge van het Zeemaneffect kan dus met behulp van een extern magneetveld het energieverschil tussen het molecuul en de twee atomen beïnvloed worden, en daarmee ook rechtstreeks de sterkte van de aantrekking tussen de atomen. Precies op resonantie is deze aantrekking in zekere zin oneindig sterk. Dit is de meest ideale situatie voor het optreden van (hoge-temperatuur) superfluïditeit in een

Fermigas door middel van de BoseEinsteincondensatie van paren van fermionische atomen. Eén voorwaarde voor de vorming van deze Cooperparen is echter dat het Fermigas bestaat uit een mengsel van twee verschillende spintoestanden. Twee atomen in dezelfde spintoestand hebben namelijk vanwege het Pauliprincipe geen interactie met elkaar. Een belangrijke vraag is dus: hoe beïnvloedt de spinpolarisatie van het Fermigas de vorming en de BoseEinsteincondensatie van Cooperparen? De Utrechtse werkgroep FOM-U-05 heeft dit jaar laten zien dat zowel de temperatuur als de geometrie van de optische val die in de experimenten gebruikt wordt een cruciale rol speelt in de beantwoording van deze vraag.

en normale fasen van het gas met elkaar kunnen mengen, terwijl dit voor lage temperaturen niet het geval is. Daardoor treedt in het laatste geval faseseparatie op, waarbij de oppervlaktespanning tussen de twee fasen ook nog aanleiding kan geven tot een aanzienlijke deformatie van de superfluïde druppel in het centrum van de val. Deze fysica speelt mogelijk ook een rol in het centrum van een neutronenster. Atomaire Fermigassen bieden hierdoor de mogelijkheid om met laboratoriumexperimenten ook hier iets meer over te weten te komen.

Beide effecten zijn een gevolg van het feit dat bij hoge temperaturen de superfluïde

Het doel van het FOM-programma “Strongly interacting condensed matter” is gezamenlijk onderzoek van theoretici en experimentatoren te verrichten aan de fysica van sterk wisselwerkende gecondenseerde materie. De looptijd is 1999-2008, het budget over die periode bedraagt 7,3 miljoen euro. De leiding van het programma is in handen van prof.dr. T.T.M. Palstra (RuG).

58 Hoogtepunten uit het onderzoek • Gecondenseerde materie en optische fysica

FOM-programma 38

Physics of electronic and magnetic structures and devices

Schakelen met magnetische fluxquanta

In 1926 zei Albert Einstein bij een bezoek aan de latere Physikalisch-Technische Bundesanstalt in Berlijn: ‘Van bijzondere interesse is de vraag of het contact tussen twee supergeleiders ook supergeleidend wordt.’ Deze vraag werd nog veel interessanter toen zestig jaar later de koperoxide supergeleiders met een hoge kritische temperatuur (Tc) werden ontdekt. Hoewel het mechanisme van de supergeleiding in deze materialen nog volledig onduidelijk is, weten we nu namelijk wel dat deze koperoxideverbindingen in een aantal essentiële aspecten afwijken van de klassieke metallische supergeleiders. Een van de belangrijkste verschillen betreft de symmetrie-eigenschappen van het supergeleidende condensaat; een s-symmetrie voor de conventionele materialen versus een d-symmetrie voor de hoge-Tc verbindingen Een bijzondere consequentie van dit verschil in symmetrie-eigenschappen is dat er in hoekvormige verbindingen tussen de hoge en lage-temperatuur supergeleiders spontaan een magneetveld wordt gegenereerd, met een exacte grootte – een zogeheten half-fluxquantum 0,5 x (h/2e) = 1x10-15 Tm2. Voor de oriëntatie van dit magneetveld bestaan twee mogelijkheden, up ↑ of down ↓. Bij twee dicht naast elkaar gelegen hoekcontacten voelen deze halve-fluxquanta elkaar, hetgeen resulteert in een antiferromagnetisch paar met twee energetisch equivalente mogelijkheden ↑↓ of ↓↑. Een afbeelding van een dergelijk paar, gemaakt met behulp van magnetische microscopietechnieken, is te zien in figuur 1. Als er nu een elektrische stroom

1

2

door dit contact wordt gestuurd, wordt de energetische gelijkheid gebroken en kan een gecontroleerde overgang van de ene naar de andere toestand worden bewerkstelligd. De eindtoestand kan worden uitgelezen met behulp van een SQUID, een gevoelige magneetvelddetector, die in de device-structuur is geïntegreerd (figuur 2). In de Twentse werkgroep FOM-T-04 zijn deze structuren gerealiseerd in de vorm van dunnelagenverbindingen tussen de hoge-temperatuur supergeleider YBa2Cu3O7 (Tc = 93K) en de conventionele supergeleider niobium (Tc = 9K) en is het inderdaad gelukt de halve-fluxquanta gecontroleerd te schakelen. Het bijzondere van deze schakelelementen is dat de overgang slechts de uitwisseling van een enkel fluxquantum van het ene hoekpunt naar het andere betekent, hetgeen extreem snel kan geschieden en slechts erg weinig energie kost. Vervolgonderzoek richt zich dan ook op het gebruik van deze elementen voor ultrasnelle, energiezuinige elektronische schakelingen en supergevoelige detectoren, alsmede op de verdere miniaturisatie van dergelijke devices.

Figuur 1. Magnetische afbeelding, gemaakt met behulp van scanning SQUID-microscopie, van een antiferromagnetisch paar van halve magnetische fluxquanta. Deze ontstaan spontaan aan de hoekpunten van een dubbele corner-junctie-structuur tussen de hoge-temperatuur supergeleider YBa2Cu3O7 en de conventionele supergeleider niobium. Figuur 2. Een dunne-lagen device-structuur waarin het antiferromagnetische paar van halve-fluxquanta, die ontstaan aan de ‘corner junctions’, gecontroleerd kan worden geschakeld tussen de ↓↑- en de ↑↓-toestanden, met behulp van een biasstroom. De eindtoestand kan worden uitgelezen met behulp van één van de SQUIDs, die asymmetrisch zijn gepositioneerd ten opzicht van het antiferromagnetische paar.

Het doel van het FOM-programma “Physics of electronic and magnetic structures and devices” is het ontdekken, begrijpen en beheersen van elektronische en magneto-elektronische effecten in onconventionele op microen nanoschaal gemaakte structuren, circuits en devices. De looptijd van het programma is 1999-2008, het budget over die periode bedraagt 8,6 miljoen euro. De leiding van het programma is in handen van prof.dr. H. Rogalla (UT).


FOM-programma 39

Fundamental properties of surfaces and interfaces

Symmetrische of asymmetrische dimeren: mysterie opgelost Links: opname met een scanning tunneling microscoop van een Ge(001)-oppervlak (5 nm x 5 nm). Rechts: tunnelstroom als functie van de tijd gemeten boven één van de twee atomen van een Ge-dimeer in de zogeheten openlus configuratie.

Silicium- en germaniumkristallen hebben een diamantstructuur, dat wil zeggen ieder atoom in het kristalrooster heeft precies vier naaste naburen. Diamantkristallen kunnen langs verschillende richtingen worden doorgezaagd. Afhankelijk van de zaagsnede worden er één of twee van de vier nabuurbindingen doorgesneden. Het technologisch meest relevante oppervlak is het (001)-oppervlak. Wanneer het diamantkristal langs deze (001)-richting wordt doorgezaagd, dan heeft ieder oppervlakteatoom twee doorgezaagde bindingen. De oppervlakte-energie van dit type oppervlak is door de hoge dichtheid aan gebroken bindingen extreem hoog. Sinds de jaren ‘60 van de vorige eeuw is echter al bekend dat het oppervlak op een eenvoudige manier deze onvoordelige situatie weet te verbeteren. Paarsgewijs zoeken de oppervlakteatomen

elkaar op om zo een eenheid van twee atomen (dimeer) te vormen. Door deze dimeerformatie wordt het aantal gebroken bindingen teruggebracht van twee naar slechts één enkele gebroken binding per oppervlakteatoom. In een opname met een scanning tunneling microscoop van zo’n (001)-oppervlak zijn de dimeren duidelijk herkenbaar als boonvormige eenheden. De dimeerbinding kan zowel in het vlak van het oppervlak liggen (symmetrische dimeer) als iets uit het vlak steken (asymmetrische dimeer). Het feit dat beide configuraties zichtbaar zijn in atomaire opnames van het (001)-oppervlak heeft vele wetenschappers jarenlang hoofdbrekens bezorgd. Het mysterie wordt nog groter als we bedenken dat geavanceerde energieberekeningen onomstotelijk aantonen dat de asymmetrische configuratie energetisch gezien verreweg de

meest voordeligste is. Door nu de naald van een scanning tunneling microscoop voor een langere tijd precies boven één van de twee atomen van de dimeer te positioneren en vervolgens (zonder terugkoppeling) de tunnelstroom te meten, konden onderzoekers in de Twentse werkgroep FOM-T-08 aantonen dat de symmetrisch lijkende dimeren eenvoudigweg tussen de twee ontaarde asymmetrische configuraties heen en weer schommelen. De conclusie is dus dat de asymmetrische configuratie inderdaad de configuratie is met de laagste energie en dat de symmetrisch lijkende dimeren eenvoudig weg snel heen en weer schommelen tussen twee asymmetrische configuraties. Hiermee is het mysterie eindelijk opgelost.

Het doel van het FOM-programma “Fundamental properties of surfaces and interfaces” is het onderzoeken van de wisselwerking tussen de geometrische structuur op nanometerschaal en fysische eigenschappen van oppervlakken en grensvlakken. De looptijd van het programma is 1999-2008, het budget voor die periode bedraagt 5,0 miljoen euro. De leiding van het programma is in handen van prof.dr. J.W.M. Frenken (LEI).


FOM-programma 44

Cold atoms

Toepassingen van koude atomen en meer zicht op Bose-Einsteincondensatie Het doel van het FOM-programma “Cold atoms” was het begrip van koude atomen en in het bijzonder van quantumgassen te testen en uit te breiden. Een tweede doel was methoden te ontwikkelen om samples van atomen in het quantum-ontaarde regime te produceren. Tenslotte was een doelstelling te onderzoeken hoe koude atomen in toepassingen gebruikt kunnen worden, vooral met het oog op hun bijzondere coherentie-eigenschappen. Een greep uit in het oog springende toepassingen uit dit programma: – Koude moleculen kunnen gemaakt worden met behulp van koude atomen. Optisch koelen, bij atomen zo succesvol, is voor moleculen geen optie. Vele alternatieven zijn (en worden nog steeds) onderzocht. Succesvol was het elektrostatisch koelen van moleculen; oorspronkelijk ook een onderdeel van dit programma, maar na korte tijd als zelfstandig programma voortgezet. De groep van Verhaar (TU/e) heeft laten zien hoe moleculen uit koude atomen gevormd kunnen worden op basis van zijn al eerder zo succesvolle aanpak met Feshbachresonanties. – Koude heliumatomen kunnen gebruikt worden om niet-individuele atomaire eigenschappen waar te nemen. De lang geleden ontwikkelde en lang ondergewaardeerd (of zelfs onbegrepen) gebleven aanpak van Hanbury Brown en Twiss is door Vassen en medewerkers (VU) gebruikt om tweede-orde correlaties te meten van zowel bosonen als fermionen (3He en 4He). – Koude atomen kunnen een extreem heldere bron zijn in de versnellertechnologie. In Eindhoven is gedemonstreerd dat koude gassen hun geringe dichtheid meer dan kunnen compenseren met een geringe snelheidsspreiding en zo aan de basis kunnen staan van een heldere bron van elektronen.

– Koude superstrings in atomaire bosonfermionmengsels. Het gaat hier om een uiterst onverwachte toepassing in de vorm van een voorstel voor een experiment, op basis van koude atomen, dat dat een situatie realiseert in mathematische analogie met superstrings. Voorbeelden van bereikt inzicht: – Experimenten in de groep van Walraven en theorieën uit de groep van Shlyapnikov (AMOLF/UvA) hebben duidelijk gemaakt hoe een BoseEinsteincondensaat precies gevormd wordt: hoe de coherentie eerst op veel verschillende plaatsen begint en vervolgens globaal wordt. Dezelfde experimentele groep heeft ook de botsing tussen twee condensaten laten zien; ongetwijfeld de minst energetische botsing ooit, die onder gecontroleerde omstandigheden is uitgevoerd. – Waar de standaardaanpak is om koude atomen magnetisch op te sluiten alvorens een condensaat te vormen, is in

Amsterdam (UvA) geprobeerd om dit optisch te doen. Hoewel ook deze aanpak tot een condensaat heeft geleid, blijkt de methode niet concurrerend met de standaardaanpak.

Demping en quadrupool-oscillatiefrequentie van een wolk koude atomen in een val als functie van de dichtheid. Bij zowel weinig als veel botsingen is de demping van deze oscillatie gering, maar niet als de botsings- en oscillatiefrequentie vergelijkbaar zijn. (Uit het proefschrift van Ch. Buggle (2005)).

Het FOM-programma “Cold atoms” is begin 2008 afgesloten.


FOM-programma 45

Photons in complex media

Licht de weg wijzen in het doolhof van verstrooiing Materialen zoals huid, verf en papier, zijn ondoorzichtig door lichtverstrooiing. Door meervoudige verstrooiing aan cellen of nanodeeltjes in het materiaal verliest het licht zijn richting en wordt diffuus. Deze verstrooiing belemmert niet alleen het zicht, maar ook het focusseren van laserlicht. Onderzoekers van de Twentse werkgroep FOM-T-23 en het FOM-Instituut voor Atoom- en Molecuulfysica (AMOLF) hebben laten zien dat verstrooiing niet langer een onoverkomelijke hindernis is voor het focusseren van laserlicht. De onderzoekers verstopten een klein (300 nanometer) fluorescerend bolletje in een ondoorzichtige laag witte verf. Vervolgens wisten ze licht op het bolletje te focusseren, door middel van een nieuwe techniek, golffront-aanpassing. Binnenkomend licht kan men zich voorstellen als het front van een golf die naar de kust rolt, maar door eilandjes verstoord wordt. Als de toppen van verstrooide golven gelijktijdig aankomen, zijn de golven in fase en versterken ze elkaar. Gewoonlijk komen verstrooide lichtgolven echter vooral ongelijk aan, uit fase, waardoor ze elkaar uitdoven. In het experiment wordt de vorm van het invallende fasefront aangepast, zodat het voorbereid is op de verstrooiing. Honderden stukjes van het golffront worden iets vertraagd ten opzichte van de rest, zodat alle verstrooide golven in fase op het verstopte bolletje aankomen. Het resultaat is een intens focus binnenin de ondoorzichtige verf. Golffront-aanpassing kan gebruikt worden om licht te sturen in complexe materialen met bijzondere optische eigenschappen, maar is mogelijk ook toe te passen bij laserbehandelingen in ondoorzichtig weefsel.

1

Figuur 1. (a) Als licht met een lens op een verstrooiend materiaal wordt gefocusseerd, verhinderen de verstrooiers dat binnenin een focus ontstaat. (c) De verschillende lichtgolven komen met ongelijke fase (weergegeven door de richting van de pijltjes) aan waardoor de amplitude laag blijft. (d) Als de golffront-aanpassing voltooid is komen de verstrooide lichtgolven in fase aan. (b) Het bolletje (geel) bevindt zich nu in een focus.

2

Figuur 2. Diep in een ondoorzichtige verflaag (zinkwit pigment) wordt door golffront-aanpassing (groene cirkels) een focus met een veel hogere intensiteit bereikt dan met lenzen theoretisch mogelijk is (rode lijn).

Het doel van het FOM-programma “Photons in complex media” is een grondig begrip te krijgen van de voortplanting, verstrooiing en diffractie van golven in media die in hoge mate complex zijn. Bovendien beoogt het programma een multidisciplinair platform te zijn dat nieuw onderzoek stimuleert en synergie creëert tussen al bestaande activiteiten in verschillende gebieden. De looptijd van het programma is 2002-2012 en het budget voor die periode bedraagt 4,6 miljoen euro. De leiding van het programma is in handen van prof.dr. A. Lagendijk (AMOLF/UT).


FOM-programma 46

Collective and cooperative statistical physical phenomena

Fermionische quantumkritikaliteit: de fractale fermionstatistiek Wij zijn gemaakt uit een quantummechanische soep van quarks, elektronen enzovoorts, maar de klassieke materie van onze menselijke schaal is die quantumfysica vergeten: de ontelbaar vele quantumdeeltjes waar wij uit bestaan vertonen met z’n allen een heel ander, opduikend gedrag. Bestaan er andere, quantummechanischer vormen van macroscopische materie? Recentelijk zijn fysici in de ban geraakt van de “quantumkritische toestand”. Deze wordt gerealiseerd als een faseovergang plaatsvindt bij het absolute nulpunt van temperatuur, waar door toenemende quantumfluctuaties de ene vorm van materie overgaat in een andere. Op zo’n overgang kan het systeem niet besluiten of het in de ene of de andere toestand wil zijn en het gevolg is dat spontaan schaalinvariantie opduikt: het quantumsysteem ziet er gemiddeld hetzelfde uit ongeacht de schaal waarop je het waarneemt. Dit heeft fascinerende consequenties. Het is bijvoorbeeld recent duidelijk geworden dat de quantumkritische toestand een vorm van materie is die op macroscopische schaal quantumverstrengeld is: als materie is deze in staat om quantumberekeningen uit te voeren. Een centraal organisatieprincipe van de quantumfysica is de quantumstatistiek die voorschrijft dat deeltjes ofwel hyperconformisten (bosonen) of superindividualisten (fermionen) zijn. Het blijkt dat opduikende gedragingen in bosonische quantummaterie bepaald worden door dezelfde basisprincipes die gelden voor

Het fractale nodale hyperoppervlak van de fermionische backflow-golffunctie van Feynman, die de vereniging van Fermi-Dirac-statistiek en schaalinvariantie belichaamt. Het gele punt is een testdeeltje dat een tweedimensionele ruimte exploreert waar andere deeltjes (groene punten) zich op willekeurige locaties bevinden. Het nodale oppervlak bevindt zich op de lijnen waar de kleuren veranderen.

klassieke materie. Fermionen zijn in dit opzicht interessanter, en dit is hoogst relevant, omdat fermionische quantumfaseovergangen bij de vleet waargenomen worden in metallische elektronensystemen. Volgens het moderne ‘Ceperley’ pad-integraalformalisme gedraagt fermionische materie zich ook in sommige opzichten klassiek mits we een extra structuur in rekening brengen: het “nodaal hyperoppervlak“. Dit hyperoppervlak ‘hangt’ als een ondoordringbaar vlies over de wereldlijnen van de fermionen in ruimte-tijd, en zorgt ervoor dat de fermionen elkaar in kleine gebieden opsluiten. Het is een voorwaarde voor fermionische quantumkriti-

kaliteit dat dit nodale hyperoppervlak geometrisch schaalinvariant moet zijn. Afgelopen jaar is in de Leidse werkgroep FOM-L-15 het eerste voorbeeld van zo’n fractaal hyperoppervlak ontdekt: het blijkt dat de “fermionische backflow“-golffunctie, ooit voorgesteld door Richard Feynman, een fermionische quantumkritische toestand beschrijft!

Het doel van het FOM-programma “Collective and cooperative statistical physical phenomena” is het coördineren en versterken van het fundamenteel experimenteel en theoretisch onderzoek naar de genoemde verschijnselen, door onderzoekers uit uiteenlopende disciplines bijeen te brengen aan het front van dat onderzoek waar coöperatieve effecten voor nieuwe verschijnselen zorgen. De looptijd van het programma is 2001-2010 en het budget voor die periode bedraagt 5,6 miljoen euro. De leiding van het programma is in handen van prof.dr.ir. W. van Saarloos (LEI).


FOM-programma 58

The IR user facility FELIX, expanded with FELICE

Hoe waterstof de binding van koolmonoxide aan kobaltclusters beïnvloedt

12 zijn in figuur 1a afgebeeld. De spectrale positie van de absorptieband is sterk afhankelijk van de bedekking van het oppervlak van het cluster met waterstof.

Figuur 1. a) Infraroodspectra van [Co11HmCO]+-complexen met m = 0, 2, 4, 10 en 12 waterstofatomen in het spectrale gebied van de C-O-strekfrequentie. b) Frequentie van de C-O-strekvibratie als functie van het aantal waterstofatomen dat samen met CO geadsorbeerd is aan een cluster van resp. 4, 5, 7, 9 en 11 kobaltatomen.

A

B Co11H12CO

+

2130 2120 2110

+

Co11H10CO

+

Co11H2CO

+

+

Co11CO 100

Φρεθυενχιε Χ−Ο ϖιβρατιε / cm-1

2100

Co11H4CO

Ionen Intensiteit / %

Voor reacties van kleine moleculen met nanodeeltjes van overgangsmetalen bestaat grote belangstelling omdat zij als modelsystemen beschouwd kunnen worden voor processen die van groot belang zijn in heterogene katalyse en waterstofopslag. De reactie van waterstof (H2) en koolmonoxide (CO) met nanodeeltjes van ijzer en kobalt is veel onderzocht vanwege de relevantie voor de Fischer-Tropsch-synthese, waarin een mengsel van H2 en CO wordt omgezet in lange koolwaterstofketens. Een belangrijke stap in dit proces is het breken van de sterke C-O-binding. De adsorptie van CO aan een geschikte katalysator zoals ijzer of kobalt, leidt tot een verzwakking, ofwel activering, van de C-Obinding. De graad van activering en dus ook de reactiviteit van CO ten opzichte van waterstof, kan beïnvloed worden door de elektronendichtheid van het nanodeeltje te controleren. Wetenschappers van de Universiteit Utrecht, het Fritz-Haber-Institut in Berlijn en het Steacie Institute for Molecular Sciences in Ottawa hebben met behulp van de vrije-elektronenlaser FELIX in het FOM-Instituut voor Plasmafysica Rijnhuizen de relatieve sterkte van de C-O-binding bepaald door het vibrationele spectrum te meten van met waterstof en koolmonoxide bedekte kobaltclusters in het gebied van de C-O-strekvibratie. De spectra voor [Co11HmCO]+ met m = 0, 2, 4, 10 en

2090 2080 2070 2060 2050 2040 2030

Co4HmCO+

2020

Co5HmCO+

2010

Co7HmCO+

2000

Co9HmCO+ Co11HmCO+

1990

80 60

0 1900

2000

2100

2200

2

4

6

8

10

12

Aantal waterstofatomen

Golfgetal / cm-1

In het algemeen leidt de coadsorptie van waterstof tot een verhoging van de frequentie en dus tot een sterkere C-Obinding (figuur 1b). Een uitzondering op deze algemene trend vormen de clusters [Co7(CO)H2]+, [Co8(CO)H2]+, en [Co9(CO)H2]+ waarvoor een tegengesteld effect, dus een verschuiving naar lagere frequenties gevonden wordt ten opzichte van clusters zonder waterstof. Dit afwijkende gedrag suggereert dat waterstof aan deze clusters anders geadsorbeerd is. Een van de mogelijke verklaringen is dat waterstof moleculair gebonden is in deze clusters, in tegen-

stelling tot atomair gebonden zoals bij alle andere clusters het geval is. De adsorptie van waterstof aan kobaltdeeltjes leidt tot een de-activering van geadsorbeerd koolmonoxide. Deze studie toont dus aan dat als er bij hoge temperaturen een reactie plaats zal vinden tussen waterstof en koolmonoxide aan het clusteroppervlak, de grootste reactiviteit te verwachten is voor clusters met geringe waterstofbedekking.

Het doel van het FOM-programma “The IR user facility FELIX, expanded with FELICE” is de internationale onderzoeksgemeenschap met FELIX een zeer heldere afstembare bron in het midden- en ver-IR ter beschikking te stellen en FELIX uit te breiden met FELICE, die experimenten met een 7 T FTICR en/of een moleculaire bundel ín de trilholte mogelijk maakt. De looptijd van het programma is 2003-2012 en het budget voor die periode bedraagt 12,6 miljoen euro. De leiding van het programma is in handen van dr. A.F.G. van der Meer (Rijnhuizen) en prof.dr. G.J.M. Meijer (Rijnhuizen/Fritz-Haber-Institut, Berlijn).


FOM-programma 59

Molecular dynamics studies with intense IR radiation

Spectroscopisch bewijs voor het ‘mobiele proton’ Botsingsgeïnduceerde dissociatie van gasvormige geprotoneerde peptiden in een massaspectrometer is de meest gebruikte methode om de volgorde van aminozuren in een peptide te bepalen (peptide sequencing). De reactiemechanismen die ten grondslag liggen aan de fragmentatie zijn vaak onderwerp van discussie en zijn uitvoerig bestudeerd met quantummechanische berekeningen. Voor de activering is het peptide geprotoneerd op de meest basische plek in het molecuul: een basisch residu, zoals arginine of histidine, of, indien die niet aanwezig zijn, de N-terminus. Activering van het peptide door laagenergetische botsingen leidt tot migratie van het proton, dat zich vervolgens kan binden aan het stikstofatoom van een van de peptidenbindingen. Deze binding raakt hierdoor verzwakt en breekt. Dit is in essentie het ‘mobiele proton’-model voor peptidendissociatie. Algemeen wordt aangenomen dat het achterblijvende fragment in veel gevallen een oxazolone-ring vormt (zie figuur 1). Infraroodspectra opgenomen met de vrijeelektronenlaser FELIX in het FOMInstituut voor Plasmafysica Rijnhuizen geven aan dat dit inderdaad het geval is. Uit de spectra kan bovendien afgeleid worden dat het proton zich op verschillende posities in het peptidenfragment kan bevinden. Door in het spectrum de intensiteit van de verschillende conformeren te volgen als functie van de tijd na de dissociatie, zien de onderzoekers dat het proton inderdaad van de ene naar de andere positie beweegt (zie figuur 2). De experimenten zijn uitgevoerd aan het peptide Leucine-enkephaline dat uit vijf aminozuren (Tyr-Gly-Gly-Phe-Leu) bestaat en geprotoneerd is op de N-terminus. Na de botsingsgeïnduceerde dissociatie selecteren de onderzoekers in de massaspectrometer het b4-fragment dat ontstaat doordat de peptidenbinding tussen Phe en

Figuur 1. Dissociatie van Leucine-enkephaline vormt een fragment met een oxazolone-ring (roze). Het proton (groen) migreert van de oxazolone-ring, waar het de dissociatie induceerde, terug naar de energetisch meest voordelige positie, de N-terminus (Ν).

1

2

Figuur 2. Spectrum van het b4-fragment van Leucine-enkephaline. Karakteristieke absorptiebanden voor de structuren uit figuur 1 zijn aangegeven en laten zien dat structuur A na de dissociatie geleidelijk verdwijnt. Leu breekt. Direct na de botsingsgeïnduceerde dissociatie vinden ze een relatief sterke absorptie bij een frequentie van 1920 cm-1, die duidt op een geprotoneerde oxazolone-ring. Het proton is door de activering naar de Phe-Leu-binding gemigreerd, heeft daar de dissociatie teweeggebracht en zit nu nog aan de oxazolonering die daaruit ontstaan is. Enkele seconden na de dissociatie verdwijnt deze band geleidelijk. De onderzoekers nemen aan dat dit erop duidt dat het proton weer

teruggaat naar de meest basische positie in het molecuul, de N-terminus. Hiermee is voor het eerst het ‘mobiele proton’ experimenteel waargenomen.

Het doel van het FOM-programma “Molecular dynamics studies with intense IR radiation” is de unieke mogelijkheden die de gebruikersfaciliteit FELIX in het infrarood biedt te verkennen en te benutten. Daarvoor zullen twee experimentele opstellingen gebouwd worden waarmee in de trilholte van FELIX optische studies aan moleculen, clusters en nanodeeltjes kunnen worden uitgevoerd. De looptijd van het programma is 2003-2008 en het budget voor die periode bedraagt 1,5 miljoen euro. De leiding van het programma is in handen van dr. J. Oomens (Rijnhuizen) en prof.dr. G.J.M. Meijer (Rijnhuizen/Fritz-Haber-Institut, Berlijn).


DFG/FOM-programma 61

Physics of colloidal dispersions in external fields

Colloïdale grensvlakken onder de loep

Een microscopieplaatje (1) van een fluctuerend grensvlak. (2) Wachttijden: de donkergrijze strepen geven aan wanneer het grensvlak zich onder een kritische hoogte bevindt: het gemiddelde is de wachttijd. (3) Transport van een bol bij dominante grensvlakspanning, (4) transport van een bol bij gelijkwaardige zwaartekracht en grensvlakspanning, en (5) transport van een bol bij dominante zwaartekracht.

Colloïden – minuscule deeltjes zwevend in een oplossing – vertonen net als moleculen fasegedrag. Maar colloïden zijn aanzienlijk langzamer en groter, waardoor de structuur en de dynamica van zulke fases in detail onder de microscoop gevolgd kunnen worden. Tevens lenen colloïden zich uitstekend voor het bestuderen van grensvlakken, de overgangsgebieden tussen twee aangrenzende fases. In een colloïd-polymeermengsel duwen de polymeerkluwens de colloïden naar elkaar toe waardoor een vloeistof-vloeistof fasescheiding kan ontstaan. Omdat de

twee druppels is. De waargenomen wachttijd voor een fluctuatie van een specifieke hoogte blijkt afhankelijk van het meetinterval, aangezien het grensvlak zo snel fluctueert dat er altijd informatie tussen twee opeenvolgende metingen verloren gaat. Hoe deze van het meetinterval afhangt blijkt uitstekend te voorspellen via de samenhang tussen de hoogtes van de fluctuaties op kort na elkaar gemeten tijdstippen, zo vonden de onderzoekers in samenwerking met collega’s uit Leiden.

grensvlakspanning ongeveer een miljoen keer lager is dan die van water, kan er naar door de temperatuur veroorzaakte fluctuaties van het grensvlak gekeken worden (zie 1 in de figuur), wat bij moleculaire vloeistoffen niet kan. Onderzoekers van de Utrechtse werkgroep FOMU-06 hebben gekeken naar de dynamica van zulke grensvlakken. De wachttijd voor een fluctuatie van een bepaalde hoogte (2) is een belangrijke parameter om bijvoorbeeld te kunnen voorspellen wat de samensmelttijd tussen

Daarnaast is er gekeken naar het transport van bollen die veel groter zijn dan de colloïden door dergelijke grensvlakken, waarbij de stroperigheid van de vloeistof de hydrodynamica domineert. Dit is van belang voor het begrip van flotatieprocessen, maar ook voor het transport van magmabellen door de aardkorst. Het effect van de balans tussen de zwaartekracht die als extern veld optreedt en de grensvlakspanning is daarbij onderzocht. Bij dominante grensvlakspanning deformeert het grensvlak nauwelijks wanneer de bol het grensvlak nadert. Dicht bij het grensvlak breekt de film tussen bol en grensvlak. De bol wordt dan door de grensvlakspanning naar beneden getrokken (3). Bij gelijkwaardige grensvlakspanning en zwaartekracht deformeert het grensvlak sterk en wordt de film op verscheidene plekken gebroken (4). Bij dominante zwaartekracht breekt de film pas als de bol al weer ver van het grensvlak verwijderd is en laat de bol een lange staart achter zich, die langzaam opbreekt in druppels (5).

Het doel van het DFG/FOM-programma “Physics of colloidal dispersions in external fields” is op microscopische schaal te begrijpen hoe colloïdalen zich gedragen onder externe invloed. Daarvoor zijn een systematische ontwikkeling van theoretische benaderingen, nieuwe simulatietechnieken en experimenten buiten-evenwicht noodzakelijk. De looptijd van het programma is 2002-2009 en het FOM-aandeel in het budget is 1,3 miljoen euro. De leiding van het programma is in handen van prof.dr. A. van Blaaderen (UU).


FOM-programma 66

Ultrafast molecular dynamics

Olie laat water op moleculaire schaal bevriezen Water en olie mengen niet, dat weet iedereen. Dit verschijnsel ligt ten grondslag aan tal van biologische processen, waaronder de vorming van celmembranen, het vouwen van eiwitten en de werking van bepaalde medicijnen. Bij deze processen speelt de wisselwerking tussen water en vetachtige (of hydrofobe) moleculen een belangrijke rol. Hierover bestaat echter al meer dan een halve eeuw een controverse. Bepaalde experimenten suggereren dat in water opgeloste hydrofobe moleculen omringd worden door een ijsachtige laag van watermoleculen, een zogenaamde hydrofobe ijsberg. Uit andere metingen volgt dat de omringende watermoleculen niet te onderscheiden zijn van de rest van het water: de structuur is vloeibaar. Om inzicht in dit probleem te verkrijgen, hebben onderzoekers van het FOM-Instituut voor Atoom- en Molecuulfysica (AMOLF) de dynamische eigenschappen van de waterlaag rondom hydrofobe moleculen bestudeerd. Met behulp van ultrasnelle lasertechnieken kan de beweeglijkheid (reoriëntatie) van watermoleculen bepaald worden. Hierbij brengt een femtoseconde infraroodpuls eerst de watermoleculen in trilling. Met een tweede, vertraagde puls kan bepaald worden over welke hoek de trillende watermoleculen gedraaid zijn. Indien hydrofobe ijsbergen echt bestaan, dan moet dit af te leiden zijn uit de reoriëntatiemetingen. In ijs staan watermoleculen immers stil, terwijl ze in water bijna vrij kunnen bewegen. De onderzoekers bepaalden de reoriëntatie van watermoleculen in zuiver water én in oplossingen van a-polaire moleculen in water. In zuiver water blijken de watermoleculen te reoriënteren met een tijdsconstante van 2,5 picoseconde. Rondom a-polaire moleculen bewegen de watermoleculen veel trager, wat duidt op de aanwezigheid van hydrofobe ijsbergen! De grootte van de ijsberg hangt af van het aantal methylgroepen in het hydrofobe

molecuul: iedere methylgroep immobiliseert twee watermoleculen. Hoe zit het dan met al die andere experimenten, die zeggen dat de structuur van het omringende water helemaal niet ijsachtig is? Water is geen normale vloeistof waarin de moleculen dicht op elkaar gepakt zitten, maar een open netwerk van watermoleculen, bij elkaar gehouden door waterstofbruggen. Dit netwerk bevat relatief veel holtes. Opgeloste hydrofobe moleculen gaan bij voorkeur in deze hol-

tes zitten. Hierbij verstoren ze de structuur van de waterstofbruggen van het water niet. Wel hebben watermoleculen in de buurt van zo’n opgevulde holte minder ruimte om te draaien, wat de langzame reoriëntatie van deze watermoleculen verklaart. Het gaat allemaal om het verschil tussen structuur en dynamica: hydrofobe ijsbergen hebben de trage dynamica van ijs maar de waterstofbrugstructuur van vloeibaar water.

Model van het hydrofobe molecuul trimethylamine-N-oxide dat de onderzoekers in het beschreven onderzoek gebruikten. De watermoleculen in de directe nabijheid van de apolaire methylgroepen (CH3-groepen) vertonen een lage beweeglijkheid. In dit model zijn de waterstofatomen (H) wit, de zuurstofatomen (O) rood, de koolstofatomen (C) grijs en het stikstofatoom (N) blauw.

Het doel van het FOM-programma “Ultrafast molecular dynamics” is de dynamica van moleculen op ultrakorte tijdschalen te bepalen en te beïnvloeden. Het programma kijkt naar laagfrequente vrijheidsgraden zoals waterstofbindingen, conformatiebewegingen en moleculaire rotaties. Daarvoor zullen geavanceerde technieken om femtosecondepulsen te vormen en afbeeldingen te maken worden ontwikkeld en toegepast. De looptijd van het programma is 2003-2009 en het budget voor die periode bedraagt 7,0 miljoen euro. De leiding van het programma is in handen van prof.dr. H.J. Bakker (AMOLF).


FOM-programma 78

The user facility for high magnetic fields

Aharonov-Bohm-oscillaties in halfgeleider quantumringen Van oudsher worden fysici gefascineerd door interferentie van elektrongolven, een verschijnsel dat direct gerelateerd is aan de quantummechanische fase van elektronen. Een beroemd voorbeeld is het zogenaamde Aharonov-Bohm-effect, dat zijn oorsprong heeft in het feit dat de elektronfase in een ringvormig systeem periodiek afhankelijk is van een magnetische flux door de ring. Deze afhankelijkheid resulteert in een oscillerende, persistente kringstroom waarmee tevens een magnetisch moment geassocieerd kan worden. Tot voor kort waren Aharonov-Bohmoscillaties alleen waargenomen in kleine metaal- en halfgeleiderringen met een relatief groot aantal elektronen. In een recent experiment in het High Field Magnet Laboratory (HFML) in Nijmegen is het gelukt om oscillerende kringstromen te detecteren die worden opgewekt door individuele elektrontoestanden in halfgeleider quantumringen. Het project was een samenwerking tussen de werkgroepen FOM-N-08 (RU Nijmegen) en FOM-E-06 (TU Eindhoven) en onderzoekers uit Antwerpen en Madrid. De persistente kringstromen werden gedetecteerd door het geïnduceerde magnetisch moment van de elektronen te meten met behulp van een, in het HFML ontwikkelde, ultragevoelige magnetometer (zie figuur A). Het preparaat bestond uit een groot aantal identieke indiumarsenide quantumringen in een galliumarsenidekristal (figuur B). De ringen hebben een geometrische doorsnede van 23 nanometer en bevatten ieder gemiddeld 1,5 elektronen. Het magnetisatiesignaal van het ringensemble laat een duidelijk AharonovBohm-effect zien rond 14 tesla (figuur C). Deze veldwaarde is verrassend veel hoger dan de 5 tesla die verwacht mag worden voor een ideale ring van 23 nanometer diameter. Gedetailleerde karakterisatie

A

B

C

D

met behulp van cross-sectionele rastertunnelmicroscopie (X-STM) laat echter zien dat de ringen meer lijken op nanovulkanen dan op perfecte ringen (figuur B). Dat resulteert in een afname van de effectieve ringdoorsnede. Met behulp van de feitelijke quantumvulkaanpotentiaal (inzet figuur D) is het dan inderdaad mogelijk om de aanzienlijke verschuiving van 5 naar 14 tesla theoretisch te beschrijven en te begrijpen (figuur D). Naast zijn fundamentele betekenis laat de observatie van een Aharanov-Bohm-effect veroorzaakt door een enkel elektron zien dat het principieel mogelijk is om niet-

magnetische halfgeleider nanostructuren te ontwerpen en te maken, met magnetische eigenschappen die alleen door hun grootte en vorm bepaald worden.

A – Schematische weergave van de ultragevoelige torsiemagnetometer met optische detectie. B – Karakterisatie van de quantumringen met behulp van cross-sectionele rastertunnelmicroscopie (X-STM). C – Experimentele magnetisatiecurves van een ensemble van identieke quantumringen. D – Berekend signaal aan de hand van een realistische quantumringpotentiaal (inzet) gebaseerd op de karakterisatie met X-STM.

Het doel van het FOM-programma “The user facility for high magnetic fields” is het voor gekwalificeerde Nederlandse gebruikers toegankelijk maken van het High Field Magnetic Laboratory (HFML) in Nijmegen. De looptijd van het programma is 2004-2013 en het budget voor die periode bedraagt 3,3 miljoen euro. De leiding van het programma is in handen van prof.dr.ir. J.C. Maan (RU).


FOM-programma 87

Quantum gases

Thermodynamica van Yang-Yang op een atoomchip Wisselwerkende veeldeeltjessystemen zijn een belangrijk onderwerp van studie binnen de natuurkunde van de gecondenseerde materie. Meestal zijn deze systemen alleen op te lossen met behulp van sterk vereenvoudigende benaderingen die slechts in een klein deel van de parameterruimte geldig zijn. Verrassend genoeg is er een klasse van problemen (laagdimensionale ‘integreerbare’ systemen) waarbij niet alleen de exacte veeldeeltjestoestanden bekend zijn maar ook de thermodynamica exact te berekenen is, voor willekeurige wisselwerkingssterkte en willekeurige temperatuur. De thermodynamische exacte theorie werd in de jaren zestig opgesteld door C.N. Yang (Nobelprijs voor de natuurkunde 1957) en zijn broer, C.P. Yang. Het eenvoudigste voorbeeld van een systeem dat met behulp van deze methode is op te lossen, is het eendimensionale Bose-gas. Dit werd door Yang en Yang zelf uitgewerkt in 1969. Onderzoekers in de werkgroep FOM-A-26 aan de Universiteit van Amsterdam hebben in 2007 de eerste meting gerealiseerd van deze ‘Yang-Yang-thermodynamica’ van het eendimensionale Bose-gas. Hun werk maakt duidelijk dat deze theorie ook experimenteel zeer relevant is, en dat het mogelijk is experimenteel toegang te krijgen tot eigenschappen van dit intrigerende veeldeeltjessysteem die niet eenvoudig theoretisch zijn te bepalen. De experimenten worden gedaan met behulp van een atoomchip, een lithografisch gemaakt patroon van gouddraden op

1 2

een silicium substraat. In figuur 1 is deze chip schematisch transparant weergegeven, zodat ook onderliggende extra stroomdraden zichtbaar zijn. Door elektrische stromen door de draden te sturen wordt een gas van rubidiumatomen magnetisch gevangen en zover afgekoeld dat het zich nog maar in één richting kan bewegen, en zich dus eendimensionaal gedraagt. De gemeten evenwichtsverdeling van de atomen in de lengterichting is weergegeven in figuur 2 (zwarte punten). De blauwe lijn geeft de voorspelling van de YangYang-theorie. De twee andere lijnen (rood en paars) geven de voorspelling van twee andere, benaderende, theorieën die allebei duidelijk niet werken voor de hele wolk. Experimenteel is het bovendien mogelijk

de impulsverdeling van de atomen te bepalen. Deze verdeling valt niet direct uit de Yang-Yang-theorie af te lezen en de meting vormt dus een uitdaging voor theoretici. De metingen en de nieuwe inzichten vormen een belangrijke stap voorwaarts in de kennis over wisselwerkende veeldeeltjessystemen.

Figuur 1. Een schematische weergave van de atoomchip die in het beschreven onderzoek is gebruikt. Figuur 2. Gemeten evenwichtsverdeling van de atomen in het eendimensionale Bose-gas.

Het doel van het FOM-programma “Quantum gases” is het experimenteel en theoretisch bestuderen van eigenschappen van quantumgassen, en het ontwikkelen van nieuwe methoden om met extern aangelegde velden deze gassen te manipuleren en te beheersen. De looptijd van het programma is 2004-2010 en het budget voor die periode bedraagt 2,9 miljoen euro. De leiding van het programma is in handen van prof.dr. J.T.M. Walraven (UvA).


FOM-programma 27

Structure, function and flow of soft materials

Moleculaire origami

Met deze methode kon het vouwwerkje eerst uit elkaar getrokken worden. Daarna werden de chaperonnes toegevoegd en kon het eiwitvouwen direct gevolgd worden door de trekkracht langzaam te verminderen. De experimenten laten zien dat de bestudeerde chaperonne (SecB) een zeer radicaal effect heeft: ze laat geen enkele samenklontering van eiwitten toe als ze eraan bindt. Naast de samenklontering kon ook het stapsgewijze vouwproces bestudeerd worden. Hierin bleek het effect van de chaperonne zeer selectief: sommige vouwstappen werden ongemoeid gelaten, maar andere werden totaal geblokkeerd. De chaperonne bleek de uitgevouwen aminozuurketen in een glasachtige ‘molten globule’-toestand te houden (zie de figuur). Dit resultaat is direct relevant voor het begrip van de translocatie van eiwitten over het celmembraan.

Aan ziektes als Alzheimer ligt een fysisch mechanisme ten grondslag. Dat is door onderzoekers van het FOM-Instituut voor Atoom- en Molecuulfysica (AMOLF) nu voor het eerst gemeten aan één enkel molecuul. Bij Alzheimer vouwen eiwitten niet meer tot hun normale vorm, maar klonteren samen en verstoren de celfunctie. Het opvouwen van een aminozuurketen tot een driedimensionaal eiwit is een subtiel proces, waarin gemakkelijk iets fout kan gaan. Cellen zetten andere eiwitten, zogenaamde chaperonnes, in om deze samenklontering tegen te gaan. Echter, het meten van het effect van deze chaperonnes is lastig. Het vouwen van een eiwit is een dynamisch proces, dat uitgemiddeld wordt in een grote populatie asynchrone aminozuurketens. Tijdens een nieuw experiment bleek het mogelijk het vouwen van één eiwit direct

te volgen. De uiteinden van de gevouwen eiwitketen werden vastgepakt met behulp van een optisch pincet, waarin kunststof balletjes met een afmeting van micrometers gevangen werden in een laserbundel.

Deze nieuwe methode zet de deur open naar studies van andere eiwitten en chaperonnes. In het huidige onderzoek naar eiwitvouwen worden meestal geïsoleerde aminozuurketens beschouwd. Dit werk vormt een stimulans om het effect van chaperonnes hierin mee te nemen.

De illustratie laat een eiwitketen (wit) zien, die probeert zich te vouwen. Het binden van de chaperonne (geel) verstoort dit. Uiteindelijk zal het blauwe eiwit in de celwand (boven) het eiwit naar de andere kant brengen. Het beeld is een artistieke impressie, gebaseerd op resultaten van studies met afzonderlijke moleculen en computersimulaties. Illustratie Sander Tans/Graham T. Johnson ©2007

Het doel van het FOM-programma “Structure, function and flow of soft materials” is het versterken van onderzoek in de natuurkunde van zachte gecondenseerde materialen door het bestuderen van structuur en dynamica van zachte materie, het ontwikkelen van theoretische en numerieke methoden om zachte materie te modelleren en macroscopische eigenschappen te voorspellen en door het bestuderen van fysische processen die een rol spelen in de organisatie in ruimte en tijd in bijvoorbeeld levende cellen. De looptijd is 1999-2008; het budget voor die periode bedraagt 15,9 miljoen euro. De leiding van het programma is in handen van prof.dr. D. Frenkel (AMOLF).

70 Hoogtepunten uit het onderzoek • Fysica van levensprocessen

FOM-programma 49

Mass spectrometric imaging and structural analysis of biomacromolecules

Eiwitfoto’s met massaspectrometers

De massaspectrometer is niet meer weg te denken uit het biomedische onderzoek. Routinematig wordt dit instrument ingezet voor genomics, proteomics en metabolomics, de drie kerngebieden in de analytische levenswetenschappen. Op het FOMInstituut voor Atoom- en Molecuulfysica (AMOLF) zijn verschillende nieuwe massaspectrometrische methodes en technieken ontwikkeld die onderzoekers in staat stellen deze analyses nu ook op de vierkante micrometer uit te voeren. In tegenstelling tot conventionele moleculaire afbeeldingtechnieken is het met een massaspectrometer mogelijk om moleculaire beelden te maken zonder het gebruik van fluorescente of immunologische labels. Deze labels kunnen immers de eigenschappen van de bestudeerde moleculen veranderen. In het kader van een samenwerking met het Erasmus Medisch Centrum (EMC) in

Massaspectrometrische beelden van menselijk cerebellum weefsel. Schaalpijl = 1 mm. A) MALDI-ToF-beeld met 100 micrometer resolutie van de verdeling van drie intacte eiwitten met hun massa. B) SIMS-beelden van twee kleine moleculen, fosfocholine (groen) en cholesterol (rood), en het element natrium (blauw).

Rotterdam, ontstaan in het Netherlands Proteomics Centre (NPC), bestuderen onderzoekers op AMOLF weefselcoupes van menselijk hersenmateriaal met behulp van imaging massaspectrometrie. Doel van deze studies is een beter begrip te krijgen van de lokale moleculaire processen die een rol spelen bij de ontwikkeling van neuro-degeneratieve plaques in het brein in de verschillende ontwikkelingsstadia van de ziekte van Alzheimer. Hiervoor wordt een aantal complementaire op massaspectrometrie gebaseerde afbeeldingtechnieken ingezet om inzicht te krijgen in de verschillende moleculaire verdelingen. De massamicroscoop wordt gebruikt om met hoge resolutie endogene peptidenverdelingen te visualiseren. Intacte eiwitverdelingen worden zichtbaar gemaakt met de lagere resolutie van de Bruker Ultraflex III, zoals bij A in de figuur te zien is. Met behulp van een gefocusseerde ionenbundel die het oppervlak

aftast, wordt gekeken naar relatief kleine, membraangerelateerde moleculen zoals fosfolipiden en cholesterol (B in de figuur). De beelden worden gecombineerd met hoogwaardig proteomicsonderzoek zoals dat in het NPC wordt verricht. Op deze wijze is reeds een groot aantal eiwitmoleculen geïdentificeerd die bij de ziekte van Alzheimer een belangrijke rol spelen. Het gecombineerd gebruik van deze technieken stelt onderzoekers in staat het moleculaire samenspel van kleine en grote moleculen direct in cellen en weefsel zichtbaar te maken met unieke eiwitfoto’s en moleculaire snapshots. Deze kennis wordt ingezet om samen met farmaceutische bedrijven nieuwe middelen te ontwikkelen die in de toekomst deze ziekte mogelijk kunnen voorkomen.

Het doel van het FOM-programma “Mass spectrometric imaging and structural analysis of biomacromolecules” is het ontwikkelen van een ‘massamicroscoop’ als afbeeldend systeem, en het gebruik van laser- en ionenbundels daarbij om structuur van en energierelaties in macromoleculaire complexen te bepalen. Deze nieuwe methode wordt toepasbaar gemaakt voor multidisciplinair onderzoek in celbiochemie, oceanografie en moleculaire studies van kunstvoorwerpen. De looptijd van het programma is 2001-2008 en het budget voor die periode bedraagt 9,4 miljoen euro. De leiding van het programma is in handen van prof.dr. J.J. Boon (AMOLF).


FOM-programma 51

Physics for medical technology

Met fluorescentie oppervlakkige kanker onderscheiden van gezond huidweefsel Een essentiële stap in de diagnose van kanker bestaat uit het verwijderen van een stukje weefsel met een bioptienaald en onderzoek hiervan met een microscoop. In een project uitgevoerd door de werkgroepen FOM-U-20 (Universiteit Utrecht) en FOM-R-02 (Erasmus Universiteit) is gewerkt aan een alternatieve methode voor diagnostiek van oppervlakkige kankers. De methode heeft de potentie om snel en pijnloos ziekten zoals kanker vast te stellen zonder dat er weefsel wordt weggenomen. De methode maakt gebruik van een geavanceerde vorm van lasermicroscopie gebaseerd op het opwekken van fluorescentie met ultrakorte, infrarode laserpulsen. Een belangrijk aspect van de methode is dat er geen kleurstoffen aan het weefsel worden toegevoegd. De ultrakorte laserpulsen worden gefocusseerd tot een zeer kleine spot in het weefsel en genereren een speciaal niet-lineair effect, twee-fotonexcitatie, waardoor alleen in het focus fluorescentielicht wordt opgewekt. De laser wordt in het weefsel gefocusseerd en vervolgens wordt er een fluorescentiebeeld opgenomen van het weefsel door de laser een raster van punten te laten aftasten. Het opgewekte fluorescentiesignaal is karakteristiek voor het type weefsel en ook voor de conditie van het weefsel; de kleur van het licht uitgezonden door ziek weefsel is anders dan voor gezond weefsel. In het FOM-project worden gedetailleerde ‘spectrale’ beelden opgenomen van het monster. Hierbij wordt voor elk beeldpunt een spectrum opgemeten dat alle kleurinformatie bevat voor dat punt. Verschillende onderdelen van cellen geven een ander kleurpatroon, maar ook verouderde huid en door UV-licht aangetaste huid geeft een ander kleurpatroon. Ook verschillende soorten cellen geven een eigen kleurpatroon. Zo konden duidelijk cellen van het immuun-

A) -10 μm

B) -15 μm

C) -20 μm

D) -25 μm

E) -35 μm

Fluorescentiebeelden opgenomen met ultrakorte laserpulsen op verschillende diepten in levende muizenhuid. De kleuren corresponderen met de kleur van het uitgezonden fluorescentielicht. Duidelijk zijn cellen en celkernen herkenbaar. De paarse kleur wordt geproduceerd door collageen (bindweefsel) en de blauwe structuren (gele pijlen) op diepten van 25 tot 45 micrometer corresponderen met cellen van het immuunsysteem.

F) -45 μm

380 nm

500 nm

600 n m

emission wavelength

systeem onderscheiden worden in het weefsel. Eerste proeven aan huid met tumoren laten zien dat er ook karakteristieke verschillen zijn tussen gezonde huid en huid met tumoren. De verschillen ontstaan door biochemische verschillen in weefselsamenstelling die de conditie van het weefsel reflecteren.

Op dit moment verkeert het onderzoek nog in een fundamenteel stadium. In een vervolgproject samen met een industriële partner willen de onderzoekers een mobiel prototype ontwikkelen dat uiteindelijk in een klinische omgeving getest kan worden.

Het doel van het FOM-programma “Physics for medical technology” is fundamenteel begrip van fysische verschijnselen en processen te verwerven voor mogelijke toepassing in nieuwe technologie voor de gezondheidszorg, excellente onderzoekers uit te dagen hun werk op mogelijke toepassingen in de medische wereld te richten, en kennisuitwisseling tussen en samenwerking van fysici en medisch onderzoekers te stimuleren. De looptijd van het programma is 2001-2009 en het budget voor die periode bedraagt 2,3 miljoen euro. De leiding van het programma is in handen van de Programmacommissie Physics for medical technology.


FOM-programma 60

Biomolecular physics

Opmerkelijke mechanische respons van netwerken van biopolymeren 2

200

Normal stress (Pa)

1

PA G' = 480 Pa 0 -200 Fibrin G' = 330 Pa -400 -75

De meeste materialen verzetten zich tegen hun vervorming wanneer er druk op ze uitgeoefend wordt. Zo verzet ieder stabiel materiaal zich bijvoorbeeld tegen samendrukking – zelfs vloeistoffen. Vaste stoffen verzetten zich daarnaast ook tegen vervorming door afschuiving, zoals aangegeven in figuur 1. Echter, onder invloed van afschuifkrachten hebben de meeste materialen ook de neiging om uit te zetten in de richting loodrecht op deze krachten. Deze respons wordt ‘positieve normaalkracht’ genoemd. Nat zand zet bijvoorbeeld uit wanneer het afschuift en hierdoor droogt het op rond onze voeten wanneer we op het strand lopen. Op vergelijkbare wijze worden elastische staven of draden van eenvoudige vaste stoffen langer wanneer ze verdraaid worden. Dit klassieke effect werd 100 jaar geleden ontdekt door de natuurkundige Poynting. Het gedrag van complexe netwerken van biopolymeren, zoals deze voorkomen in cellen en biologische weefsels, vormt een scherpe tegenstelling met deze algemene materiaaleigenschap. De werkgroep FOMV-13 aan de Vrije Universiteit heeft in samenwerking met collega’s van de University of Pennsylvania aangetoond dat zulke netwerken in het algemeen de tegenovergestelde neiging vertonen (zie

-50

figuur 2): wanneer het weefsel tussen twee platen vervormd wordt, heeft het de neiging de platen naar elkaar toe te trekken. Deze negatieve normaalkrachten kunnen net zo sterk zijn als de krachten die de vervorming tegengaan en kunnen kwantitatief verklaard worden in termen van de moleculaire eigenschappen van de individuele biopolymeren. De onderzoekers hebben de opmerkelijke negatieve normaalkrachten gedemonstreerd voor modelnetwerken die opgebouwd waren uit óf collageenvezels óf fibrine óf cytoskelet-polymeren. Fibrine is betrokken bij wondhelingsprocessen en vormt een elastische gel, terwijl het zogenaamde cytoskelet van cellen bestaat uit netwerken van eiwitpolymeren. Dit constructieprincipe zorgt ervoor dat cellen en weefsels vervorming kunnen tegengaan, maar toch flexibel zijn.

-25

0 25 Strain (%)

50

75

Figuur 1. Schematische tekening van een biopolymeernetwerk vóór (a) en na (b) vervorming. Onder vervorming kunnen de individuele polymeren in het netwerk ofwel uitgerekt (rood) ofwel samengedrukt (geel) zijn. Het opmerkelijke elastische gedrag dat wordt waargenomen kan begrepen worden op basis van de bekende eigenschappen van individuele biopolymeren.

Figuur 2. Wanneer een normaal elastisch materiaal vervormd wordt heeft het de neiging uit te zetten in de richting loodrecht op de vervorming, zoals de positieve normaalkracht in de bovenste curve aangeeft. Biopolymeren zoals fibrine vertonen de tegenovergestelde neiging, met een grotere, negatieve normaalkracht.

Het doel van het FOM-programma “Biomolecular physics” is vanuit natuurkundig perspectief de werking van biomacromoleculen en hun aggregaten beter te begrijpen. Het programma bestrijkt het gebied van de eigenschappen van afzonderlijke geïsoleerde biomoleculen tot die van spontaan of door sturing gevormde aggregaten en complexen tot op de schaal van de cel. De looptijd van het programma is 2003-2010 en het budget voor die periode bedraagt 3,9 miljoen euro. De leiding van het programma is in handen van prof.dr. B.M. Mulder (AMOLF).


FOM-programma 90

Material properties of biological assemblies

Niet-evenwichtsfluctuaties en beweging in cellen

Alle materialen vertonen continue fluctuaties veroorzaakt door thermische agitatie. Deze fluctuaties vallen direct op in vloeistoffen en zachte materialen, inclusief veel biologische materialen. Die laatste materialen zijn echter uniek in de zin dat ze ook niet-evenwichtsbewegingen en krachtenfluctuaties kunnen vertonen die het gevolg zijn van actieve processen. In levende cellen, bijvoorbeeld, gebruiken motoreiwitten chemische energie om krachten uit te oefenen die direct de beweging van het interne skelet van de cel (het ‘cytoskelet’) beïnvloeden. Net als de meeste andere biologische activiteit is zulke motorgedreven beweging normaalgesproken gericht. Het wordt echter steeds duidelijker dat er ook significante willekeurige fluctuaties kunnen optreden door motoractiviteit en dat die fluctuaties veel groter kunnen zijn dan de inherente

thermische agitatie. Het is echter nog onduidelijk wat het exacte karakter van deze fluctuaties is en het begrijpen van zulke intracellulaire activiteit is op het moment een belangrijke uitdaging, met name voor de kwantitatieve biologische natuurkunde. Met een combinatie van theorie en experiment hebben onderzoekers van de werkgroep FOM-V-13 aan de Vrije Universiteit en Harvard University laten zien hoe microtubuli, een van de belangrijkste componenten van het cytoskelet van cellen, gebruikt kunnen worden om de athermische krachten en fluctuaties kwantitatief af te tasten. Ondanks dat microtubuli de stijfste elementen in een cel zijn, ondergaan ze verrassend grote fluctuaties, die de organisatie van microtubuli in complexe netwerken zoals in de figuur kun-

nen verklaren. Om niet-evenwichtsactiviteit ook meer in het algemeen te kunnen bestuderen hebben onderzoekers van de VU, het FOM-Instituut AMOLF en Harvard ook een kunstmatig modelsysteem gecreëerd dat het cytoskelet nabootst. De microtubuli die hier aan toegevoegd werden vertoonden bijna hetzelfde gedrag als gezien wordt in cellen.

Een microscopische opname van een cel (A); het netwerk van microtubuli is rood gekleurd en de celkern blauw. De sterk gebogen vorm van de relatief stijve microtubuli (B) kan begrepen worden aan de hand van hun groei, of ‘polymerisatie’ (C), in de aanwezigheid van willekeurige a-thermische krachten veroorzaakt door moleculaire motors.

Het doel van het FOM-programma "Material properties of biological assemblies" is het bestuderen van zulke elementaire cellulaire/biologische materialen als membranen, bouwstenen van het cytoskelet en andere biopolymeren, en in het bijzonder materialen die zijn opgebouwd uit combinaties hiervan. Het programma moet leidende Nederlandse onderzoeksgroepen in de biofysica met elkaar aanvullende expertise bijeen brengen om het begrip van de onderliggende fysische principes van biologische bouwwerken en hierarchische materialen te vergroten. De looptijd van het programma is 2005-2010; het budget voor die periode bedraagt 2,1 miljoen euro. De leiding van het programma is in handen van prof.dr. F.C. MacKintosh (VU).


FOM-programma 74

Manipulation of meso-scale structures in hot, magnetised plasmas

Warmtetransport rond magnetische eilanden in fusieplasma’s In een fusiereactor wordt een plasma van meer dan 100 miljoen graden opgesloten met een magneetveld. De magnetische veldlijnen spiraliseren door de torusvormige reactor en vormen zo magnetische oppervlakken. De oppervlakken waar de veldlijnen na een klein aantal omwentelingen op zichzelf aansluiten kunnen gemakkelijk opbreken, waardoor zogenaamde magnetische eilanden ontstaan. Dit is zeer nadelig: hitte kan langs het eiland naar buiten stromen. Om het fusieproces efficiënt te laten verlopen is het noodzakelijk de eilanden actief te bestrijden. Wetenschappers van FOM-Instituut voor Plasmafysica Rijnhuizen onderzoeken het gedrag van de eilanden in de TEXTORtokamak (Forschungszentrum Jülich, in Duitsland), die beschikt over een unieke combinatie van gereedschappen voor het bestuderen van deze magnetische eilanden. De eilanden kunnen op reproduceerbare wijze worden gegenereerd met externe spoelen, de Dynamische Ergodische Divertor (DED). Met behulp van hoogvermogen microgolven die worden geabsorbeerd door het plasma, kan in of rond het eiland lokaal warmte worden toegevoerd. Het sluitstuk wordt gevormd door een Elektronen Cyclotron Emissie Imaging (ECEI) diagnostiek, ontwikkeld op FOMRijnhuizen in samenwerking met collega’s van de Amerikaanse universiteiten UC Davis en Princeton, waarmee de eilanden en de gevolgen van de verhitting in detail kunnen worden waargenomen. Om het warmtetransport te bestuderen creëren de onderzoekers allereerst een magnetisch eiland met behulp van de DED. Vervolgens deponeren ze met microgolfpulsen warmte in het plasma, naast een eiland. Dit vermogen diffundeert naar buiten, zowel langs als door het eiland. In de figuur is te zien dat in de gebieden buiten het eiland het warmtetransport snel plaatsvindt (de blauwe pixels), terwijl in

het eiland het transport langzamer is (de rode en gele pixels). Dit wijst op een verbeterde opsluiting van energie in het eiland. Zowel het snelle warmteverlies langs de randen van het eiland als de zeer goede warmte-isolatie binnen het eiland kan worden begrepen op basis van de structuur van het magnetische veld. Het belang van deze metingen is tweeledig. Ze tonen direct aan hoe de hitte langs de magnetische structuren stroomt én de verbeterde opsluiting in eilanden geeft de mogelijkheid om daar lokaal te verhitten, waardoor eilanden bestreden kunnen worden. Deze conclusie kan gevolgen

hebben voor de schattingen van het noodzakelijke microgolfvermogen voor de stabilisatie van magnetische eilanden in ITER, en andere toekomstige fusiereactoren.

Een meting van het warmtetransport rond een magnetisch eiland. Microgolven deponeren lokaal warmte in het plasma (oranje lijn). De warmte diffundeert naar buiten, zowel door het eiland (rode lijn) als om het eiland heen (blauwe lijn). In de grafiek is te zien dat het warmtetransport binnen het eiland veel langzamer is (roder) dan buiten het eiland (blauwer).

Het doel van het FOM-programma “Manipulation of meso-scale structures in hot, magnetised plasmas” is het verkennen en het ontwikkelen van het concept dat hete gemagnetiseerde plasma’s op mesoschaal een rijke structuur kennen, en het manipuleren van deze structuur om de macroscopische eigenschappen van het plasma te beheersen. De looptijd van het programma is 2004-2008 en het budget voor die periode bedraagt 4,6 miljoen euro. De leiding van het programma is in handen van prof.dr. N.J. Lopes Cardozo (Rijnhuizen).

75 Hoogtepunten uit het onderzoek • Fusiefysica

FOM-programma 10

Physics for technology

Nano-elektromechanische systemen

Nano-elektromechanische systemen (NEMS) omvatten structuren die op mechanische en elektrische prikkels reageren. Zij zijn de opvolgers van MEMS, die op micrometerschaal werken en die in allerlei toepassingen gebruikt worden (zoals de sensor die in een auto de airbag laat openschieten op het moment van een botsing). De verwachtingen van NEMS zijn hooggespannen: kleinere sensoren die daarmee goedkoper en gevoeliger zijn of devices die met een lager energieverbruik werken bij hogere frequenties (bijvoorbeeld zeer gewild voor mobiele telefoons die nu al opereren met frequenties van 2 GHz). Ondanks deze interesse zijn er nog veel open vragen in NEMS. Hoe schalen de mechanische eigenschappen met de afmetingen? Verandert bijvoorbeeld de Young’s modulus? Hoe zijn materiaaleigenschappen en demping aan elkaar gekoppeld? Onderzoekers in de Delftse werkgroep FOM-D-04 bestuderen de interactie tussen mechanische en elektrische eigenschappen in kleine, vrijhangende structuren. Dit kunnen balkjes zijn van (sub)micrometer afmetingen gefabriceerd met siliciumtechnologie (top-down methode), of nanometer dunne grafietmembranen die via een combinatie van nanotechnologie en conventionele siliciumtechnologie gemaakt worden (bottom-up methode). De figuur laat een voorbeeld zien van de laatste methode. Door een spanning op de onderliggende (gate) elektrode aan te brengen, kunnen de onderzoekers de vrijhangende nanobuis spannen en daarmee de reso-

nantiefrequentie veranderen. De mechanica is analoog aan die van een piano- of gitaarsnaar, maar dan op nanoschaal. Een belangrijk aspect in het project is het onderzoek naar de gevoeligheid van NEMS. De thermische beweging van de resonator vormt de uiteindelijke beperking. Bij lage temperaturen wordt die rol overgenomen door quantumeffecten: de onzekerheid in de resonatorpositie leidt tot trillingen die zelfs bij het absolute nulpunt niet uitdoven. In toepassingen (massasensoren die gevaarlijke gassen detecteren of sensoren voor de medische wereld) speelt de gevoeligheid ook een belangrijke rol. Hoe kleiner het device, hoe lichter het is en daarmee des te gevoeliger voor massatoename. Het wereldrecord staat op de detectie

van zeptogrammen (10-21 gram, ongeveer de massa van drie goudatomen). Die gevoeligheid heeft een keerzijde: kleinere devices zijn weliswaar gevoeliger en opereren bij hogere frequenties maar de uitwijkingen worden zo klein dat detectie ervan zonder grote randapparatuur moeilijk is. De onderzoekers proberen dit probleem op te lossen door de integratie van alle componenten (actuatie en uitlezing) op één chip.

Een vrijhangende koolstof nanobuis. Deze snaar op nanoschaal trilt met frequenties ter grootte van 100 MHz en kan gestemd worden door een voltage aan te brengen op de onderliggende gate elektrode. De mechanica is analoog aan die van een piano- of gitaarsnaar.

Het doel van het FOM-programma “Physics for technology” is het creëren van nieuwe opties voor toekomstige technologieën door het ondersteunen van uitmuntend technisch-fysisch onderzoek, gericht op het verwerven van voldoende controle over fysische processen om deze tot heil van de samenleving te gebruiken. De looptijd van het programma is 1997-2011 en het budget voor die periode bedraagt 20,7 miljoen euro. De leiding van het programma is in handen van prof.dr.ir. P. Kruit (TUDelft), prof.dr.ir. D.C. Schram (TU/e) en dr. M.P.A. Viegers (Philips Research).

76 Hoogtepunten uit het onderzoek • Fenomenologische fysica

FOM-programma 36

Two-dimensional turbulence

Spin-up van turbulente stroming

Een kenmerk van tweedimensionale turbulentie is de vorming van steeds grotere wervelstructuren. De hiermee samenhangende spectrale flux van energie naar de grotere lengteschalen wordt aangeduid als de inverse energiecascade. Op een eindig domein begrensd door vaste wanden wordt de evolutie in belangrijke mate mede bepaald door de vorm van het domein. In de Eindhovense werkgroep FOM-E-16 wordt dit aspect op systematische wijze onderzocht, zowel experimenteel als via numerieke simulaties met spectrale methoden. Bij een random initialisatie van een turbulent stromingsveld met een netto hoekimpuls gelijk aan nul evolueert de stroming op een cirkelvormig domein naar een dipolaire structuur bestaande uit twee cellen met tegengestelde circulatie. Op een vierkant domein neemt men echter doorgaans een eindtoestand waar in de vorm van een enkele, domeinvullende circulatiecel. In dit laatste geval blijkt de stroming ook een netto hoekimpuls te hebben verkregen, terwijl deze ‘spin-up’ voor de cirkelgeometrie afwezig is. Dit verschil in globaal gedrag is terug te voeren op de krachten die de wand op de turbulente stroming uitoefent. In het geval van de cirkelgeometrie spelen alleen de viskeuze schuifspanningen een rol, terwijl in de vierkante geometrie de normaalspanningen (druk en viskeuze spanning) een essentiële rol spelen in het genereren van een netto hoekimpuls, en de – hiermee direct samenhangende – zelforganisatie van de stroming in een enkele domeinvul-

lende circulatiecel. Het relatieve effect van deze wandspanningen is onderzocht in een elliptisch domein (zie de figuur), door de excentriciteit te variëren. Het onderzoek heeft aangetoond dat het opspingedrag geen viskeus verschijnsel is, maar zich vooral voordoet bij zeer turbulente stroming.

Numerieke simulatie van ongeforceerde tweedimensionale turbulentie op een elliptisch domein met een vaste no-slip begrenzing. In de beginfase neemt men duidelijk samengaan (‘merging’) van wervels en de vorming van filamenten bij de wand waar, terwijl de eindtoestand bestaat uit één enkele domeinvullende circulatiecel.

Het doel van het FOM-programma “Two-dimensional turbulence” is het beter begrijpen van de dynamische en kinematische karakteristieken van tweedimensionale turbulentie. De nadruk ligt daarbij op de zelforganiserende eigenschappen van langzaam vervallende tweedimensionale turbulente stromingen op eindige domeinen en op de chaotisch-transporteigenschappen van opgesloten tweedimensionale turbulente stromingen. De looptijd van het programma is 1998-2008, het budget voor die periode bedraagt 1,0 miljoen euro. De leiding van het programma is in handen van prof.dr.ir. G.J.F. van Heijst (TU/e).


FOM-programma 53

Turbulence and its role in energy conversion processes

Schrijven in de wind

1

2

Turbulentie is de wanordelijke stroming van gassen en vloeistoffen. Turbulentie is alomtegenwoordig, en bepalend voor processen die zo uiteenlopen als het weer, verbranding in een kolencentrale of menging in de chemische procestechnologie. Turbulentie is dus wanordelijk, maar daarom nog niet zonder structuur. De energie in een turbulente stroming wordt geïnjecteerd (door ‘roeren’) in de grootste schaal, en stroomt naar kleinere en kleinere schalen doordat kleine wervels aan grote ontspruiten door niet-lineaire interactie. De kleinste schaal wordt bepaald door viscositeit: het is de schaal waarop coherente beweging het verliest van thermische wanorde. Het knelpunt bij de experimentele studie van turbulentie zit bij deze kleinst relevante schalen. Die schalen zijn cruciaal voor menging en chemische reactie. We spreken over micrometers als we het hebben over in een laboratorium hanteerbare turbulentie. Iedere probe die je zou willen gebruiken om op die schaal metingen aan de stroming te doen vormt zelf een significante verstoring van die stroming. Of, als de stroming bestudeerd wordt door de verplaatsing van toegevoegde deeltjes, dan wordt hun concentratie ontoelaatbaar groot als we de kleinste wervels willen

zien. Gedurende de afgelopen jaren hebben onderzoekers in de werkgroep FOMN-05 in de vakgroep Toegepaste Molecuulfysica van de Radboud Universiteit Nijmegen een alternatieve methode ontwikkeld voor het meten van het kleinschalige snelheidsveld, die gebaseerd is op de meest fundamentele bouwstenen van de stroming, namelijk de moleculen zelf. Door het focusseren van een korte, maar zeer intense lichtpuls uit een ultravioletlaser in lucht wordt een complex (en nog niet geheel begrepen) fotochemisch proces op gang gebracht, waarvan stikstofmonoxide, NO, een van de eindpro-

ducten is. Op deze manier kan heel lokaal, op de kleinste schaal van de turbulentie, een structuur van tracermoleculen in de stroming geschreven worden. Het NOmolecuul is stabiel, en de geschreven structuur kan, na vervorming en verplaatsing door het turbulente snelheidsveld, meermalen worden uitgelezen (zie de figuren). Samen met de vakgroep stromingsleer van de faculteit Technische Natuurkunde van de Technische Universiteit Eindhoven hebben de onderzoekers met deze nieuwe methode een unieke kijk gekregen op de kleinste wervels in turbulentie.

Figuur 1. Het onvervormde patroon zoals de onderzoekers dat in de lucht schrijven. Figuur 2. Het patroon 30 microseconde later, vervormd door sterke turbulentie.

Het doel van het FOM-programma “Turbulence and its role in energy conversion processes” is fundamentele vragen rond turbulente verschijnselen in energieconversie te onderzoeken. Dat moet leiden tot meer inzicht in kwesties als overgang naar turbulentie, ontstaan van stromingsgeïnduceerd geluid, reactiviteit in chemische processen en warmteoverdracht. De looptijd van het programma is 2002-2010 en het budget voor die periode bedraagt 3,6 miljoen euro. De leiding van het programma is in handen van prof.dr.ir. A.A. van Steenhoven (TU/e).


FOM-programma 55

Laser wakefield accelerators

Gecontroleerde versnelling van elektronen nabij Het versnellen van elektronen tot relativistische energieën in ‘table-top’ opstellingen heeft recent dramatische voortgang te zien gegeven. Het FOM-programma Laser Wakefield Accelerators (LWA) onderscheidt zich van eerder LWA-werk door zich te richten op externe injectie van elektronen in een laser-gedreven plasmagolf, een benadering die veel betere reproduceerbaarheid belooft dan alle andere schema’s. De bijdrage van het FOMInstituut voor Plasmafysica Rijnhuizen aan dit programma, de ontwikkeling van een plasmakanaal voor ‘guiding’ van TW laserpulsen over een afstand van 5 centimeter, is inmiddels succesvol afgerond. In de werkgroepen FOM-E-04 (TU/e) en FOMT-01 (UT) wordt al geruime tijd gebouwd aan twee versnelopstellingen, die complementair zijn qua opbouw en injectieschema. Het TU/e-project is gebaseerd op injectie van elektronen in de plasma‘hekgolf’ achter de laserpuls; het UT-project voorziet injectie vóór de laserpuls, waarna deze de elektronen’bunches’ inhaalt, comprimeert en versnelt. De elektronenbron is in beide gevallen een RFfotokanon, met eindenergieën van respectievelijk 6,5 en 3,5 MeV, bij bunchlengten van de orde van 300 femtoseconde. De te gebruiken lasers hebben piekvermogens van respectievelijk 2 en 20 TW. Beide injectieschema’s zullen leiden tot versnelde elektronen’bunches’ met record-tijdsduren van de orde van enkele tot 10 femtoseconde en bundeldiameters van 5 tot 10 micrometer. Een aanzienlijk verschil in de twee benaderingen is de te behalen eindenergie en relatieve energiespreiding: deze bedraagt 100 MeV in het TU/e-schema en van de orde van 1000 MeV in het UT-schema, met corresponderende energiespreidingen tussen 5 en 1%. De motivatie om de twee genoemde benaderingen te kiezen is dat deze samen praktisch alle fysische mogelijkheden en uitdagingen beslaan die bij ‘gecontroleer-

Figuur 1. Simulaties aan de TU/e-versnelopstelling: enkele karakteristieken van de elektronenbunches aan ingang en uitgang van het plasmakanaal waarin de versnelling plaatsvindt. Figuur 2. Simulaties aan de UT-versnelopstelling: voorspelde energie en energiespreiding (links) en compressie van de elektronenbunch in tijd en ruimte als functie van de plaats in het plasmakanaal waarin de versnelling plaatsvindt.

1

2

de’ versnelling - via externe injectie - aan de orde kunnen komen, hoewel natuurlijk een 2-TW laser relatief eenvoudiger en goedkoper is dan een 20-TW systeem. Voor beide schema’s zijn ‘front-to-end’ simulaties gedaan van de totale versnelopstellingen, die ook de randvoorwaarden gegeven door de aanwezige infrastructuren meenemen. Hierop zijn bovenge-

noemde specificaties van de versnelde bunches gebaseerd. De figuren tonen enkele typische resultaten. De meest kritische issues zijn de uitlijning en stabiliteit op micrometerschaal van de overlap van elektronenen laserbundel. Eerste demonstraties van gecontroleerde versnelling worden in de loop van 2008 verwacht.

Het doel van het FOM-programma “Laser wakefield accelerators” is het bestuderen van de fysica en het realiseren van de bouw van een compacte plasmaversneller voor elektronenenergieën van enkele honderden MeV. Het resultaat moet een bundel zijn met een kwaliteit die een ‘single pass’ vrije-elektronenlaser in het XUV kan aandrijven. De looptijd van het programma is 2001-2008 en het budget voor die periode bedraagt 3,7 miljoen euro. De leiding van het programma is in handen van prof.dr. M.J. van der Wiel (TU/e).


FOM-programma 63

Physics of granular matter

Stationaire granulaire vloeistof experimenteel waargenomen Granulaire materialen, zoals zand, poeders en grind, stromen niet zomaar. Zoals de helling van zandhopen illustreert, is er een kritische stress waaronder het materiaal in rust blijft. Als korrelmaterialen eenmaal stromen, dan vormen zich nauwe schuifzones waar de stroming zich concentreert, omringd door grote stationaire gebieden. In het klassieke beeld zijn deze stationaire gebieden rigide met een eindige kritische stress - maar is dat echt zo?

1

Onderzoekers in de Leidse werkgroepen FOM-L-07 en FOM-L-25 hebben nu laten zien dat deze stationaire zones geen kritische stress hebben maar meer op een vloeistof lijken. 2 Ten eerste is dit te zien in numerieke simulaties aan de stroming van granulaire materialen. Om de afwezigheid van een kritische stress te testen, hebben de onderzoekers in (erg rekenintensieve) simulaties de granulaire stresstensor berekend van korrelstromingen in zogenaamde ‘gespleten bodem’-geometrieën, waar de stroming wordt aangedreven door twee platen langs elkaar te laten schuiven (zie figuur 1). Ze vinden hier een groot (groen) gebied waar de kritische stress afwezig is, ondanks dat hier nauwelijks of geen stroming is. Ten tweede hebben ze deze zogenaamde ‘stationaire granulaire vloeistof’ experimenteel waargenomen in een andere variant van de ‘gespleten bodem’-geometrie, waar de stroming wordt aangedreven door de rotatie van een schijf op de bodem van een emmer gevuld met zand (zie figuur 2). Voor voldoende vulhoogte is er geen stroming aan het oppervlak waar te nemen, terwijl een object wel degelijk wegzinkt in het zand. Lichtere objecten drijven in dit zand op een diepte gegeven door de wet van Archimedes - opnieuw gedraagt het zand zich als een vloeistof.

Het mechanisme achter deze verschijnselen is dat korrelstroming kleine trillingen of agitaties in de korrels induceert, die zich ver door het materiaal voortplanten en die het material fluïdizeren: agitaties

‘smelten’ zand. Nieuwe modellering van korrelstromingen zijn daarmee noodzakelijk geworden, en het agitatiemechanisme geeft aan in welke richting deze gezocht dienen te worden.

Figuur 1. De granulaire stresstensor van korrelstromingen in een ‘gespleten bodem’-geometrie gesimuleerd. In een groot gebied (groen) is kritische stress afwezig, ondanks dat er nauwelijks of geen stroming is. Dit is in tegenspraak met het klassieke beeld van stromend korrelig materiaal, waar afwezigheid van stroming samengaat met een eindige kritische stress. Figuur 2. Experimentele waarneming van een stationaire granulaire vloeistof.

Het doel van het FOM-programma “Physics of granular matter” is de fysica van granulaire materie te verkennen en het gedrag van die materie te begrijpen. Er zijn drie hoofdvragen: wat zijn de ordeparameters die granulaire materie karakteriseren, welke voorwaarden staan continue beschrijving van granulaire materie toe en hoe kunnen statistische fluctuaties in granulaire materie worden gekarakteriseerd. De looptijd van het programma is 2004-2013 en het budget voor die periode bedraagt 3,9 miljoen euro. De leiding van het programma is in handen van prof.dr. D. Lohse (UT).


FOM-programma 75

PSI-lab: an integrated laboratory on plasma-surface interaction

Numerieke simulaties van wisselwerking tussen plasma en wand in ITER Plasmafysica Rijnhuizen – samen met Europese partners – het experiment Magnum-psi. Deze unieke lineaire plasmagenerator maakt een gemagnetiseerde plasmabundel die vergelijkbaar is met het plasma vlak voor de hittebestendige tegels van ITER. Hiermee wordt de complexe fysica bestudeerd van het afkoelende plasma vlak bij de wand, de interactie van de plasmadeeltjes met het wandmateriaal

1

en de gevolgen voor het materiaal van de wand. Numerieke simulaties bieden ondersteuning bij de interpretatie van de experimenten en vertalen de gevonden resultaten naar de complexe geometrie van ITER en toekomstige fusiecentrales. Figuur 1. Wisselwerking tussen plasma en wand in het fusie-experiment ITER vindt plaats in de divertor, onderin het plasmavat.

2

Figuur 2. Interactie van een bundel waterstofatomen (rood) met een koolstofoppervlak (blauw). Het waterstof hecht zich aan het oppervlak, en vormt koolwaterstofverbindingen. Onderin het plaatje is de diamantstructuur van het koolstof zichtbaar.

In een fusiereactor wordt uit de waterstofisotopen deuterium en tritium energie opgewekt, waarbij als ‘as’ van de reactie helium overblijft. Deze as moet in een continu proces uit de reactor worden verwijderd. Hoe dat moet is één van de grote vragen binnen het fusieonderzoek, een vraag waarop het internationale experiment ITER een antwoord moet geven. In ITER wordt daartoe de buitenste laag van het plasma afgekoeld, door het magneetveld af te buigen naar de hittebestendige tegels van de divertor (zie figuur 1), die onderin het reactorvat is geplaatst. Die tegels krijgen daarbij een enorme warmteen deeltjesflux te verwerken: per vierkante meter 1024 zeer reactieve waterstofatomen per seconde bij een vermogensflux van 10 MW. Maar weinig materialen kun-

nen deze belasting weerstaan. Eigenlijk komen alleen koolstof en wolfraam in aanmerking, dankzij hun hoge sublimatie respectievelijk smelttemperatuur.

Bij de simulaties speelt een scala van karakteristieke lengte- en tijdschalen een rol. Moleculaire dynamica-simulaties spelen zich af aan of net onder het oppervlak, op atomaire schaal, en voorspellen welke atomen of moleculen vrijkomen. Figuur 2 toont een met waterstofatomen beschoten koolstofoppervlak waarbij een CH2radikaal is gevormd. Neutrale deeltjes worden op hun weg door de dunne randlaag van het plasma met Monte Carlotechnieken gevolgd, en voor het plasma zelf volstaat een vloeistofbenadering. Zo ontstaat een hybride model, een kinetische beschrijving van de neutrale deeltjes gekoppeld aan een vloeistofbeschrijving van het plasma.

Om inzicht te krijgen in de processen die onder dergelijke omstandigheden een rol spelen bouwt het FOM-Instituut voor

Het doel van het FOM-programma “PSI-lab: an integrated laboratory on plasma-surface interaction” is de interactie tussen intense deeltjes- of fotonenfluxen en het oppervlak van materialen in een fundamentele benadering te bestuderen. Een belangrijk doel is toegang te krijgen tot het sterk gekoppelde regime waarin deeltjes die van het oppervlak komen in het systeem blijven en zo de wisselwerking tussen plasma en wand bepalen. De looptijd van het programma is 2004-2015 en het budget voor die periode bedraagt 18,7 miljoen euro. De leiding van het programma is in handen van prof.dr. A.W. Kleyn en prof.dr. N.J. Lopes Cardozo (beiden Rijnhuizen).


FOM/GBE-programma 79

Dynamics of patterns

Chaotische lichtpatronen in lasers

Halfgeleiderlasers zijn zeer efficiënte lichtbronnen, die een belangrijke plaats hebben verworven in het moderne leven. Zonder er bij stil te staan, maken we dagelijks gebruik van halfgeleiderlasers: wanneer we naar een CD luisteren, een film op DVD bekijken, het internet gebruiken of met een vriend bellen. Er is een nieuw en veelbelovend type halfgeleiderlaser ontwikkeld: de ‘vertical cavity surface emitting laser,’ oftewel VCSEL. Dit type laser is het meest efficiënt en laat zich gemakkelijk op een chip combineren tot een optische schakeling. Een VCSEL genereert licht in een actief gebied in de vorm van een ronde schijf met een doorsnede variërend van slechts enkele tot enige tientallen micrometers. Het licht treedt uit aan de bovenkant van de VCSEL. Afhankelijk van de hoeveelheid elektrische energie die in de laser wordt gepompt, vindt men verschillende ruimtelijke patronen van licht (zie figuur 1). Maar welke lichtpatronen treden op wanneer de VCSEL wordt gekoppeld aan andere optische componenten? Er is dan namelijk sprake van weliswaar geringe, maar onvermijdelijke optische terugkoppeling via spiegelende oppervlakken, en dat heeft invloed op de lichtpatronen. Het is van groot belang om te weten wat er dan precies gebeurt, bijvoorbeeld wanneer men de laser wil gebruiken om informatie te versturen via een glasvezel. Binnen het programma “Dynamics of patterns” wordt in de quantumelektronicagroep aan de Vrije Universiteit onderzoek gedaan naar lichtpatronen van een VCSEL die blootstaat aan optische terugkoppeling. Omdat het licht enige tijd nodig heeft om de weg van laser naar spiegel en terug af te leggen, ‘ziet’ de laser als het ware zijn eigen lichtpatroon met een vaste tijdsvertraging. Deze vertraging is weliswaar slechts een paar nanoseconden, maar niet te verwaarlozen gezien de

1

2

relevante snelle tijdschaal van de laser zelf. Met behulp van geavanceerde theorie en gespecialiseerde numerieke methoden brengen de onderzoekers de dynamica van lichtpatronen in de VCSEL nauwgezet in kaart. Hoe meer licht teruggekaatst wordt naar de VCSEL, hoe grilliger de dynamica van de lichtpatronen. Het is zelfs mogelijk dat dit op een chaotische manier gaat: het VCSEL-licht flikkert dan op een onvoorspelbare manier tussen verschillende lichtpatronen (zie figuur 2). Dit kan toepassing in optische communicatie verhinderen, maar misschien wel een nieuwe vorm van encryptie of zelfs chaotische optische computing mogelijk maken.

Figuur 1. Lichtpatronen in een laser met een actieve ronde schijf; lage intensiteit is blauw en hoge intensiteit rood. Figuur 2. Chaotisch flikkeren van een lichtpatroon.

Het doel van het FOM/GBE-programma "Dynamics of patterns" is door theoretisch en experimenteel onderzoek bij te dragen aan het fundamentele begrip van specifieke nietlineair dynamische verschijnselen van ruimtelijk uitgestrekte systemen, van breed belang voor die terreinen van de wetenschap waar de dynamica inherent complex is en een samenspel van met elkaar wedijverende effecten. De looptijd van het programma is 2005-2010 en het FOM-deel van het budget voor die periode is 0,8 miljoen euro. De leiding van het programma is in handen van prof.dr.ir. W. van Saarloos (LEI) en prof.dr. A. Doelman (CWI).


FOM-programma 43

Molecular atmospheric processes

Moleculaire processen in de dampkring

Het FOM-programma “Molecular atmospheric processes” (MAP) heeft moleculaire processen en instrumentontwikkeling bestudeerd gerelateerd aan atmosfeerwaarnemingen, analyse van remote sensing-gegevens van satellieten en verbetering van fysisch-chemische modellering van de atmosfeer. Aan de Vrije Universiteit in Amsterdam zijn de spectroscopie en de dynamica van N2, N2O en OCS bestudeerd. Het werk aan moleculair stikstof in het vacuüm-ultraviolet gebied verbetert de kennis van de door de zon gedreven processen in de ionosfeer, waarbij de vervalsprocessen van hoogaangeslagen stikstofmoleculen het verschil maken tussen een reactieve ionosfeer of lokale verhitting. Het gedetailleerde onderzoek in het Lasercentrum van de Vrije Universiteit, in samenwerking met collega’s van het FORTH Instituut in Kreta, aan OCS is gepubliceerd in Science (Science 303 (2004), 1852). OCS lijkt fysisch-chemisch sterk op CO2. Elektromagnetische stormen (‘ruimteweer’) op hoogten van 200 km en meer boven het aardoppervlak worden herkend in de vorm van fluctuaties in de lokale elektronendichtheid. De concentratie elektronen wordt bepaald in recombinatieprocessen tussen elektronen en molecuulionen. In een samenwerking tussen het FOMInstituut AMOLF en de Universiteit Stockholm zijn deze reacties voor zuurstof en stikstofoxide voor het eerst in groot detail vastgelegd, zodat diagnostiek van de zwakke aardse airglow is verbeterd. Geavanceerd optisch isotooponderzoek aan de Rijksuniversiteit Groningen heeft in een internationale samenwerking geleid tot metingen aan de isotoopverdelingen in stratosferisch water. Gezien de stratosferische waterdichtheid

MAP: the Output

Rosario Iannone, 2008

Harald Verbraak, 2008 High Resolution Infrared Spectrosco py of Ionic Complexes

RU

RU

AMOLF/ RU

RuG Laura Lipciuc, 2008

VU

VU

AMOLF/ RU

van minder dan 10-4 g.m-3 een prestatie van formaat. Aan de Radboud Universiteit Nijmegen zijn het meest aardse molecuul, zuurstof, en het meest reactieve en ongrijpbare molecuul, het hydroxylradikaal, OH, bestudeerd. Beide moleculen zijn fotochemisch en bepalen de samenstelling van de troposfeer.

VU, Chem

VU, Chem

het MAP-programma een flinke stap gezet richting een impact van de Nederlandse natuurkunde op een van de grootste wetenschappelijke uitdagingen waar we voor staan: het kwantitatief kunnen beschrijven van de toekomst van ons klimaat onder invloed van de vele menselijke invloeden.

Het programma heeft vele publicaties en tien proefschriften opgeleverd, waarvan drie in 2008 verdedigd zullen worden. Verder zijn twee onderzoeksgemeenschappen nader tot elkaar gekomen, onder andere met een zevental bijeenkomsten onder de naam Nationale Atmosfeerdagen, waarbij atmosfeerwetenschappers en onderzoekers binnen het MAP-programma van elkaars werk kennis namen. Minstens zo belangrijk is de multiplier in de vorm van atmosferisch onderzoek uitgevoerd binnen andere nationale atmosfeerprogramma’s. FOM heeft met

Het FOM-programma “Molecular atmospheric processes” is in 2007 afgerond.

83 Hoogtepunten uit het onderzoek • Overige fysica

Tabel 2 [deel I]. Goedgekeurde Industrial Partnership Programmes per 31 december 2007 totaal gemiddeld nr. titel periode FOM- budget/ organisatie-eenheid budget1) jaar1) Industrial Partnership Programmes

I03. Evolution of the microstructure of materials (together with NIMR and various industrial partners) I04. Dispersed multiphase flow (together with STW and various industrial partners) I06. The physics of fluids and sound propagation (together with Shell) I07. Sustainable hydrogen (together with ACTS and various industrial partners) I08. Microphotonic light sources (together with Philips) I09. Joint Solar Programme (together with Shell and CW) I10. Extreme UV multilayer optics (together with Carl Zeiss) I11. Metrology with frequency comb lasers (together with NMi, TNO and ASML) I13. Fundamentals of heterogeneous bubbly flow (together with Akzo Nobel, Corus, DSM, Shell) I14. Microscopy and modification of nano-structures with focused electron and ion beams (together with FEI Electron Optics) I16. Innovative physics for oil and gas (together with Shell) I18. Magnetocaloric materials not only for cooling applications (together with BASF)

1999-2008

7,2

0,7

BUW

2000-2010

4,8

0,4

BUW

2003-2009 2003-2008

2,2 1,6

0,3 0,3

BUW BUW

2005-2010 2005-2010 2005-2009 2006-2010

1,7 3,2 7,9 1,1

0,3 0,5 1,6 0,2

AMOLF BUW Rijnhuizen BUW

2007-2012

1,0

0,2

BUW

2007-2011

2,7

0,5

BUW

2008-2013 2008-2012

3,0 1,3

0,5 0,2

BUW BUW

Tabel 2 [deel II]. Industrial Partnership Programmes in ontwikkeling per 31 december 2007 totaal gemiddeld nr. titel periode FOM- budget/ organisatie-eenheid budget1) jaar1) I15. Size dependent material properties (together with NIMR and various industrial partners)

2008-2012

2,0

0,4

BUW

1) bedragen in Ma

Opmerking. Het getal vóór de titel van elk programma is het programmanummer. Hoe hoger het getal, hoe jonger in de regel het programma.


Industrial Partnership Programmes I01 en I05

Physics of thin film materials en Scientific instrumentation

Laboratorium zonder Muren was succesvol model In 1995 tekenden Philips en FOM de samenwerkingsovereenkomst “Laboratorium zonder Muren”. Dat paste goed in de toen opkomende trend dat grote bedrijven meer dan voorheen budget voor corporate research gingen besteden aan onderzoek buiten de deur. Het Laboratorium zonder Muren kende twee onderzoeksthema’s: Fysica van dunne-filmmaterialen en Wetenschappelijke instrumentatie. Toen FOM in 2004 de Industrial Partnership Programmes (IPP) instelde, gingen onderzoeksactiviteiten uit het Laboratorium zonder Muren op in twee van die IPP’s. In 2007 zijn deze afgesloten. Onder de vele resultaten uit het onderzoek vielen drie onderwerpen bijzonder op. Het modelleren van processen en de combinatie van modelling en experiment zijn onmisbaar geworden in het begrijpen van ionen-etsen, de geleiding van ladingsdragers in een polymeersysteem of de opbouw van mechanische stress in structuren van complexe laminaire multimaterialen. Computational science, dat in het Laboratorium zonder Muren veel aandacht kreeg, is niet meer weg te denken uit de reguliere researchomgeving. Experimenten op nanometerschaal hebben zich eveneens een onmisbare positie verworven. De eigenschappen van systemen op deze schaal kunnen verrassend anders zijn dan op macroscopische schaal en daarmee soms innovatie mogelijk maken. Een prachtig voorbeeld is het gebruik van een nanotube veldemitter als een zesvoudige high-brightness elektronenbron. Even imponerend is de mogelijkheid om op deze schaal analyses uit te voeren. Voorbeelden zijn de ontwikkeling van een EELS-TEM voor nanometerschaal en hogeresolutie 3-D imaging en elementanalyse

met TEM/STEM/X-ray elektronentomografie. Ontwikkelingen in de laatste tien jaar hebben het doorgronden van de complexe fysica van gestructureerde multimaterialen binnen handbereik gebracht. Onderzoek aan MEMS en organische transistoren laat zien dat fenomenologisch begrip steeds meer plaats maakt voor elementaire kennis van de onderliggende processen. Onderzoek naar het fysisch en fysisch-chemisch gedrag van zeer complexe materialen als lithiumionenbatterijen en gelaagde diëlektrische systemen tonen aan dat door een materiaalkundige beheersing van dit soort syste-

men een fysische beschrijving van de relevante parameters reëel is geworden - wat nieuwe kansen biedt. Zo bleek het mogelijk een polymere transistor met ingebouwd geheugen gebaseerd op het gebruik van ferro-elektrische diëlektrische gate-lagen te realiseren. Dit trok internationaal de aandacht. Het programma heeft veel inzicht opgeleverd in voor Philips relevante gebieden. Een aantal onderwerpen is tot ontwikkeling gekomen waar Philips alleen niet aan begonnen zou zijn vanwege te grote risico’s of te lange termijn in het onderzoek.

partners: Philips en Philips, FEI Company

Elektrische karakterisatie van een polymeer geheugendevice. Foto Philips.

De Industrial Partnership Programmes “Physics of thin film materials” en “Scientific instrumentation” zijn in 2007 afgesloten.

89 Hoogtepunten uit het onderzoek • Industrial Partnership Programmes

Industrial Partnership Programme I03

Evolution of the microstructure of materials

Metaalschuim en schaaleffecten

Veel materialen om ons heen zijn een schuim, vaak zonder dat we het weten. We kennen natuurlijk kunststofschuim (piepschuim, PUR-schuim) dat veel gebruikt wordt voor verpakkingsmateriaal en (warmte)isolatie. Veel van ons dagelijks eten is schuim, zoals brood, waar door middel van gisten het brood ‘opschuimt’, maar ook veel snoep (zoals ‘Bros’ chocoladerepen) en graanproducten (cornflakes) zijn geschuimd om ze een aangenamere textuur te geven. Tevens hebben veel biologische materialen een schuimstructuur (kurk, koraal, onze botten). De natuur had namelijk al lang door dat materiaal met een bepaalde massa mechanisch het meest efficiënt benut wordt als het een schuimstructuur heeft. Deze goede mechanische eigenschappen per eenheid massa behoren tot de belangrijkste redenen voor de recente commerciële opkomst van metaalschuim. In veel toepassingen van metaalschuim hebben de componenten afmetingen van slechts een paar celgroottes. Een belangrijk gevolg hiervan is dat de mechanische eigenschappen afhankelijk zijn van de grootte (schaal) van het proefstuk of component. Dit worden schaaleffecten genoemd. Om te achterhalen wat de fysische mechanismen zijn die ten grondslag liggen aan deze schaaleffecten, hebben onderzoekers in de Groningse werkgroep FOM-G-17 een numeriek model ontwik-

keld. Bij indentatie wordt een indenter (een rechthoekig blok onvervormbaar materiaal) in het metaalschuim gedrukt. Nu blijkt dat de indentatiesterkte (weerstand tegen vervorming) toeneemt met afnemende indenterdimensies. In de drie figuren wordt de vervorming getoond die plaatsvindt in het metaalschuim bij verschillende afmetingen van de indenter. Naarmate de indenter kleiner wordt, verandert het deformatieproces en concentreert zich in individuele deformatiebanden tussen de randen van de indenter. De verklaring voor het uiteindelijke schaaleffect is dat bij een kleinere indenter minder cellen worden belast waardoor er minder vrijheid is om de door de indenter opgelegde vervormingen te kunnen accommoderen. Het optreden van schaaleffecten is niet beperkt tot metaalschuim. Ook in andere materiaalsystemen en belastingssituaties komen ze voor. Vooral de recente trend om steeds kleinere microsystemen te fabriceren, maakt schaaleffecten een steeds vaker opduikend verschijnsel. Voor beide toepassingsgebieden geldt dat klassieke continuümtheorie niet toereikend is. Er is dus behoefte aan nieuwe, geavanceerde mechanische modellen, in staat om schaalafhankelijk gedrag te beschrijven. Metaalschuim vervult in dit opzicht een rol als modelsysteem in de zoektocht naar nieuwe theorieën.

Vervorming van metaalschuim bij verschillende afmetingen van de indenter.

partners: NIMR, verscheidene bedrijven

Het doel van het Industrial Partnership Programme "Evolution of the microstructure of materials" is de bestudering van de evolutie van de microstructuur van materialen tijdens verwerking, bewerking en gebruik. In het bijzonder gaat de aandacht uit naar het begrijpen van de dynamische relatie tussen die microstructuur en de mechanische eigenschappen. Dit is cruciaal voor het ontwerp van materialen met microstructuren die optimale eigenschappen opleveren voor specifieke toepassingen. De looptijd van het programma is 1999-2008. Het budget voor die periode bedraagt 7,2 miljoen euro. De leiding van het programma is in handen van prof.dr.ir. E. van der Giessen (RuG).



Dispersed multiphase flow

Hoe gasbellen door een vloeistof stromen

Sinds augustus 2003 loopt in de werkgroep FOM-T-19 bij de Universiteit Twente een onderzoeksproject om meer inzicht te verkrijgen in het stromingsgedrag van gasbellen in een vloeistof en om dit stromingsgedrag kwantitatief te kunnen beschrijven. Het project maakt deel uit van het programma ‘Dispersed multiphase flow’. De bedrijven Akzo Nobel, DSM, Marin en Shell die bij het programma zijn betrokken, delen de interesse voor gasvloeistofstromingen, die in tal van toepassingen terug te vinden zijn. Bij Akzo Nobel, DSM en Shell betreft dit tal van productieprocessen, bijvoorbeeld voor de productie van mono-chloorazijnzuur of voor de grootschalige productie van synthetische brandstoffen. Marin is geïnteresseerd in de beschrijving van gas-vloeistofstromingen ten behoeve van de scheepvaart. Door bellen onder de kiel van een schip te blazen, wordt de wrijving met het water en daarmee het brandstofverbruik aanzienlijk verlaagd. Eén van de moeilijkheden voor het beschrijven van gas-vloeistofstromingen komt voort uit het feit dat de beweging van individuele bellen wordt bepaald door de stromingscondities op de schaal van de gasbel (enkele kubieke centimeters). De processen waarin gas-vloeistofstromingen plaatsvinden zijn echter vele malen groter (vele kubieke meters). Om deze verscheidenheid aan schalen te ondervangen, is binnen het project gewerkt aan twee type

modellen: één voor iedere schaal. Op de kleine schaal zijn geavanceerde computational fluid dynamics modellen ontwikkeld en gebruikt om de stroming rondom enkele bellen op te lossen, zonder enige aanname te doen. Uit de resultaten van deze modellen wordt de krachtwerking tussen de bellen en de vloeistof afgeleid. De simulatieresultaten zijn geverifieerd en verder ondersteund met behulp van diverse experimentele technieken, waaronder particle image velocimetry. Op de voor de industriële partners zeer

relevante grote schaal wordt gebruik gemaakt van soortgelijke modellen, waarbij echter een aantal aannames gedaan moet worden om de benodigde rekentijd binnen de perken te houden. Eén van die aannames betreft de krachtwerking tussen de bellen en de vloeistof, die volgt uit de simulaties op de kleine schaal. Een voorbeeldresultaat van de gas-vloeistofstroming is te zien in de figuur. De bellen worden hier na verloop van tijd kleiner, doordat ze door de vloeistof worden geabsorbeerd.

partners: STW, verscheidene bedrijven

Voorbeeld van resultaten uit een simulatie van een gas-vloeistofsysteem in een bellenkolom. Links is de grootte en de snelheid van de gasbellen te zien. Rechts worden de vloeistofstroming en de locatie van het grensvlak tussen gas en vloeistof getoond.

Het doel van het Industrial Partnership Programme “Dispersed multiphase flow” is het beter begrijpen en bijeen brengen van de fundamentele (microscopische) aspecten van gedispergeerde meerfasestroming en de (meso- en macroscopische) fysica van industriële meerfasestroming. De looptijd van het programma is 2000-2010 en de FOM-bijdrage aan het budget voor die periode bedraagt 4,8 miljoen euro. De leiding van het programma is in handen van de Programmacommissie Gedispergeerde Meerfasestroming.



The physics of fluids and sound propagation

Fase-inversie in een buisstroming met een mengsel van olie en water Tijdens de productie van olie in een ondergronds oliereservoir wordt met de olie veelal ook water naar de productiebuizen gevoerd. In het eerste gedeelte van zo’n buis is de olieconcentratie meestal hoog, maar stroomafwaarts kan de waterconcentratie in de buisstroming aanzienlijk toenemen. Het is dan mogelijk dat de stroming verandert van een continue oliefase met waterdruppels in een continue waterfase met oliedruppels. Dit proces wordt fase-inversie genoemd. Tijdens inversie neemt de weerstand van de stroming in de buis zeer sterk toe. In de praktijk wordt dan ook geprobeerd om faseinversie te voorkomen. Het is daarom belangrijk om te onderzoeken, onder welke condities fase-inversie optreedt en of het mogelijk is die condities te beïnvloeden. Om die reden hebben onderzoekers in de Delftse werkgroep FOM-D-34 experimenten aan fase-inversie in een (horizontale) buis uitgevoerd, waarbij een systematische studie werd gemaakt van de invloed van een aantal parameters. Er werden experimenten verricht, waarbij met een pure oliestroming werd begonnen en geleidelijk water werd toegevoerd, maar ook experimenten met aanvankelijk een pure waterstroming met daarna een toevoer van olie. Er werd daarbij veel aandacht geschonken aan de verandering in het stromingspatroon gedurende faseinversie. In de figuur is te zien, hoe in een aanvankelijke oliestroming met alleen waterdruppels (linksboven) bij voortdurende waterinjectie steeds meer grotere watergebiedjes ontstaan (linksmidden en

linksonder), waarna het water de continue fase wordt met daarin oliegebiedjes (rechtsboven en rechtsmidden) en tenslotte alleen oliedruppels (rechtsonder). Het bleek dat de kritische concentratie van de gedispergeerde fase waarbij faseinversie optreedt sterk afhankelijk is van de verhouding van de injectiesnelheid van de gedispergeerde fase en de snelheid van het mengsel in de buis. Hoe kleiner deze verhouding hoe hoger de kritische concentratie, die wel een waarde boven de 90% kan bereiken! Zolang de verhouding van de injectiesnelheid van de gedisper-

geerde fase en de mengselsnelheid in de buis hetzelfde blijft, heeft de absolute waarde van de injectiesnelheid vrijwel geen invloed op de kritische concentratie. Naast het experimentele onderzoek hebben de onderzoekers theoretisch werk verricht om het complexe verschijnsel van fase-inversie te begrijpen. De resultaten van het experimentele en theoretische onderzoek zijn van praktisch belang, omdat ze het mogelijk maken om faseinversie beter te voorspellen en te voorkomen.

partner: Shell

Overgang van oliestroming met waterdruppels naar waterstroming met oliedruppels bij toenemende waterinjectie.

Het doel van het Industrial Partnership Programme “The physics of fluids and sound propagation” is significante vooruitgang te boeken op het terrein van de voortplanting en verstrooiing van (geluids)golven in de aardkorst en van de fysica van drie-fasestromingen. De looptijd van het programma is 2003-2009 en het budget voor die periode bedraagt 2,2 miljoen euro. De leiding van het programma is in handen van de Shell-FOM Stuurgroep.



Sustainable hydrogen

Thermodynamica met eigen ogen gemeten

1

2

Figuur 1. Videoframes van de optische doorzichtigheid van een 7,5 cm dik substraat bedekt met een 200 nm dikke inhomogene dunne laag van een magnesium-titaan-nikkel legering die in een waterstofatmosfeer is geplaatst. De optische doorzichtigheid die bij toenemende waterstofdruk varieert, geeft direct aan welke samenstellingen het best waterstof opnemen. Figuur 2. Voor elk pixel van het monster in figuur 1 kan de doorzichtigheid afzonderlijk worden gemeten bij relevante temperaturen. Uit de temperatuurafhankelijkheid van de plateau’s in de isothermen kan direct de hydride vormingsenthalpie en -entropie worden bepaald. In toekomstige energiescenario’s is de tijdelijke opslag van energie een van de grootste struikelblokken. Als we waterstof als energiedrager willen gebruiken, moet dit compact, licht en veilig kunnen worden opgeslagen. Metaalhydride-opslag heeft die potentie, maar er is nog geen materiaal gevonden dat aan alle eisen voldoet. De werkgroep FOM-V-07 aan de Vrije Universiteit heeft nu een nieuwe methode ontwikkeld, HYDROGENOGRAHY, die het niet alleen mogelijk maakt de waterstofopname van duizenden legeringen gelijktijdig te observeren, maar in feite ook

kwantitatief de vormingsenthalpie en entropie optisch te meten. Dit is van grote praktische waarde, aangezien het betekent dat gelijktijdig de relevante thermodynamische eigenschappen van duizenden legeringen gemeten kunnen worden onder precies dezelfde omstandigheden, dat wil zeggen onder dezelfde temperatuur en waterstofgasdruk. De voor HYDROGENOGRAPHY gebruikte dunne lagen worden bereid in een sputterinstallatie waarvoor in dit geval drie excentrische magnetron-sputterbronnen

voor de metalen magnesium (Mg), titaan (Ti) en nikkel (Ni) zijn gebruikt. De circa 200 nanometer dikke inhomogene laag van deze drie metalen is aangebracht op een transparant glassubstraat zodat optische veranderingen in de lichtdoorlaatbaarheid makkelijk met een CCD-camera kunnen worden gemeten. Wanneer de metallische laag in aanraking komt met waterstof treden er grote veranderingen op die als functie van de aangelegde waterstofdruk nauwkeurig kunnen worden gemeten. Figuur 1 toont zes videoframes die binnen een paar uur zijn opgenomen bij een van nul tot 105 Pa (ofwel 1 bar) toenemende waterstofdruk. Onmiddellijk zichtbaar is dat de Mg-Ti rijke legeringen als eerste waterstof opnemen; bij 105 Pa hebben alle legeringen, behalve de nikkel-rijke, met waterstof gereageerd. De onderzoekers kunnen nu punt voor punt de verandering in transmissie als functie van de druk registreren. Aangezien de transmissie een continue functie is van de waterstofconcentratie, zal de overgang naar de hydride fase te zien zijn als een plotselinge verandering in de transmissie. Uit de bij verschillende temperatuur gevonden evenwichtsdrukken (zie figuur 2) deduceren de onderzoekers de vormingsenthalpie voor elk punt. Zo vinden ze dat Mg69Ni26Ti5Hx een vormingsenthalpie van -40 kJ(molH2)-1 heeft. Bij volle belading bevat deze legering 3,6 gewicht% waterstof. Opmerkelijk genoeg is in dit materiaal de waterstofdichtheid ongeveer gelijk aan die van zuiver waterstof in vloeibare vorm!

partners: ACTS, diverse bedrijven

Het doel van het Industrial Partnership Programme “Sustainable hydrogen” is significante vooruitgang te boeken in het overbruggen van kenniskloven op weg naar een samenleving die gebaseerd is op waterstof. De looptijd van het programma is 2003-2008 en het FOM-aandeel in het budget voor die periode bedraagt 1,6 miljoen euro. De leiding van het programma is in handen van de Programmacommissie Sustainable hydrogen.



Microphotonic light sources

Optica van nanodraden

De nauwkeurig gecontroleerde groei van halfgeleider nanodraden heeft geleid tot een toegenomen belangstelling voor deze nanostructuren als bouwstenen voor optische instrumenten. Nanodraden zijn structuren met een gigantische verhouding lengte-breedte: lengtes van enkele duizenden nanometers en diameters van enkele nanometers. Ze hebben reeds hun potentie voor nano-leds en lasers, sensoren en zonnecellen aangetoond. Desondanks is slechts weinig bekend over de actieve en passieve optische eigenschappen van respectievelijk het door nanodraden uitgezonden licht en de voortplanting van licht door een ensemble van nanodraden. Diepere kennis van deze eigenschappen is essentieel voor het mogelijk maken van de ontwikkeling van optische instrumenten met optimale prestaties. Het grote verschil tussen de lengte en de diameter van nanodraden leidt tot een aantal unieke optische verschijnselen. Onderzoekers van het FOM-Instituut voor Atoom- en Molecuulfysica (AMOLF) en Philips Research zijn erin geslaagd om een materiaal van nanodraden te maken dat ongekend dubbelbrekend is. In dit materiaal is de brekingsindex van het licht niet even groot voor alle trillingsrichtingen van de lichtgolf (polarisatie). De grote lengtebreedteverhouding van de draden leidt tot een navenant grote mate van dubbelbrekendheid. Het verschil in brekingsindex voor verschillende polarisatierichtingen is

1

2

sterk afhankelijk van het materiaal rond de nanodraden. Deze eigenschap gebruikten de onderzoekers om zeer dunne lagen van een transparant materiaal rond nanodraden te detecteren (zie de figuur). De aangetoonde gevoeligheid voor veranderingen in de omgeving van de nanodraden wordt nu benut in een nieuwe sensor. AMOLF-onderzoekers hebben ook onderzocht hoe de optische eigenschappen van

nanodraden met plasmonische structuren kunnen worden beïnvloed. Door de koppeling van het door nanodraden uitgezonden licht aan elektronen in een metallisch rooster, is aangetoond dat de emissie van nanodraden beïnvloed kan worden. De intensiteit van het licht dat gepolariseerd wordt langs de lengte van de nanodraden kan versterkt of verzwakt worden, afhankelijk van zijn oriëntatie ten opzichte van het rooster.

partner: Philips

Figuur 1. Een opname met een elektronenmicroscoop van een nanodraad. Figuur 2. Het ‘inpakken’ van nanodraden leidt tot veranderingen in de brekingsindex voor verschillende polarisatierichtingen.

Het doel van het Industrial Partnership Programme “Microphotonic light sources” is het bestuderen van optische verschijnselen in micro-gestructureerde materialen en devices om licht op te wekken en te manipuleren. De nadruk ligt op nieuwe concepten en experimenteel demonstreren van baanbrekende nieuwe benaderingen die de prestaties van devices moeten bevorderen. De looptijd van het programma is 2005-2010; het budget voor die periode bedraagt 1,7 miljoen euro. De leiding van het programma berust bij het FOM-Instituut voor Atoom- en Molecuulfysica.



Joint Solar Programme

Op weg naar beter rendement van ‘energie uit plastic’ 1

Figuur 1. Absorptiespectra van de neutrale en geladen oligomeren van materialen met lage bandafstand (tot 1,5 eV). De verschuiving naar lagere energie met toenemende lengte is analoog aan het quantummechanische gedrag van een deeltje-in-een-doosje.

2

Figuur 2. Meting van stroom-spanningskarakteristiek van een teststructuur van een polymere zonnecel (in het midden) onder belichting (vanonder).

Polymere zonnecellen kunnen in de toekomst bijdragen aan de behoefte aan goedkope, schone, en hernieuwbare energie. Voordeel van fotovoltaïsche cellen op basis van polymeren ten opzichte van bestaande zonnecelconcepten, is dat deze –uiteindelijk– eenvoudig geproduceerd kunnen worden, bijvoorbeeld via traditionele drukprocessen, op de relevante schaal van tientallen vierkante kilometers per dag. Zover is het echter nog niet. In polymere zonnecellen worden polymeren met halfgeleidende eigenschappen gebruikt voor de absorptie van licht en de omzetting in elektrische energie. Polymere zonnecellen bereiken nu een rendement van circa 5%, een factor drie lager dan commerciële silicium zonnecelmodules. Reden daarvoor is dat gangbare halfgeleidende polymeren alleen het zichtbare deel van het zonnespectrum absorberen. Voorts gaat relatief veel energie verloren bij de ladingsgeneratie, zodat de open klemspanning van de cellen (∼0,6 V) substantieel lager is dan de fotonenergie (2 eV).

Binnen het JSP bestuderen onderzoekers in de Eindhovense werkgroep FOM-E-20 polymeren die deze beperkingen opheffen. Polymeren met een kleine bandafstand, die ook het nabij-infrarode deel van het spectrum (tot ∼1 eV), absorberen kunnen de kortsluitstroom aanzienlijk verhogen, zelfs met behoud van de open klemspanning (∼0,6 V) zodat het rendement toeneemt tot 10% of hoger. Voor deze uitdaging is niet alleen de bandafstand essentieel, maar tegelijkertijd optimalisatie van ladingsmobiliteit, molecuulgewicht, verwerkbaarheid en stabiliteit. Het onderzoek spitst zich toe op twee complementaire aspecten. Nieuwe polymeren worden ontworpen, gesyntheti-

seerd en getest waarbij verbetering van het rendement centraal staat. Dit heeft geleid tot nieuwe lage bandafstand (1,01,5 eV) polymeren, waarbij de beste materialen de rendementen van de bestaande cellen al benaderen. Daarnaast is er een fundamentele studie naar de fotofysica van goed gedefinieerde oligomeren, met precies ingestelde ketenlengtes om de intrinsieke elektronische eigenschappen te bestuderen. Polymeren kunnen gecombineerd worden in tandemcellen waarin twee (of meer) cellen op elkaar worden aangebracht. Recent hebben de onderzoekers tot wel zes individuele cellen elektrisch en optisch weten te stapelen via eenvoudige depositie uit oplossing, waarbij de open klemspanning oploopt tot 3,5 V, bijna twee keer de fotonenergie. Combinatie van polymeren met een verschillende bandafstand in deze multi-junctiecellen geeft een unieke kans om het rendement van ‘energie uit plastic’ verder te verhogen.

partners: Shell, CW

Het doel van het Industrial Partnership Programme "Joint Solar Programme" is het creëren van vooruitzichten op nieuwe generaties zonnecellen met sterk verbeterde eigenschappen, en het tot stand brengen van synergie en versnelling in het onderzoek door groepen en vakgebieden die op dit terrein nieuw zijn. De looptijd van het programma is 2005-2010 en het budget voor die periode bedraagt 3,1 miljoen euro. De leiding van het programma is in handen van de JSP Stuurgroep.



Extreme UV multilayer optics

Kijken met ionen: diffusie in ultradunne lagen

Intensiteit (a.u.)

Mo achtergrond Tijd

Geenbehandeling behandeling Voor o 9 minutenop 500 C o 33 minutenop 500 C o 85 minutenop 500 C

Mo oppervlaktepiek

5 nm 5Sinm Si 5 nm Si

x 10-20

2

8

D (nm2/s)

Si opper vlaktepiek

1

Stadium 1 Stadium 2

6 4 2

10 nm Mo nm Si Si5wafer

Onderzoekers van het FOM-Instituut voor Plasmafysica Rijnhuizen werken binnen het Industrial Partnership Programma I10 aan de fysische uitdagingen die zich voordoen binnen, en aan het oppervlak van dergelijke gelaagde structuren. In samenwerking met partner Carl Zeiss SMT is onder andere uitgezocht hoe de structuur van molybdeen/silicium (Mo/Si)-lagen verandert onder thermische belasting van de lagen, waarbij structuurveranderingen met verschillende tijdsconstanten en activatie-energieën geïdentificeerd zijn. Om precies uit te zoeken hoe de diffusie op atomair niveau plaatsvindt, hebben de onderzoekers gebruik gemaakt van Laag Energetische Ionen Verstrooiing (LEIS), een techniek die door de extreem hoge oppervlaktegevoeligheid uitermate geschikt is voor dunnelagenonderzoek. In dit onderzoek is voor het eerst het diepteoplossend vermogen van LEIS benut

0.0

0.5

1.0

1.5

B4C dikte (nm)

1500 1750 2000 2250 2500 Energie(eV)

In de halfgeleiderindustrie wordt momenteel gewerkt aan een nieuwe generatie lithografiemachines. In deze machines zijn alle conventionele lenzen vervangen door reflecterende optieken, voorzien van speciale multilaagcoatings. Deze bestaan elk uit een groot aantal lagen van slechts enkele nanometers dik. Hierdoor kan de gebruikte golflengte, en daarmee ook de kleinste geprojecteerde structuur, uiteindelijk verkleind worden tot een tiental nanometers.

0

om in real-time de diffusie in ultradunne lagen te bestuderen. Figuur 1 laat de evolutie van het LEIS-spectrum zien tijdens verhitting van een tweelaags Mo/Si-systeem, representatief voor een volledige Mo/Si-multilaag. Wanneer het sample op een constante temperatuur van 500°C gehouden wordt, neemt het Mo-signaal toe (“Mo achtergrond” in de figuur) en verschuift het naar hogere energie, hetgeen aangeeft dat Mo tijdens verhitting naar het oppervlak diffundeert. Door het Mosignaal als functie van de tijd te volgen, kan zo rechtstreeks de diffusieconstante bepaald worden. Het is mogelijk om de diffusie in deze systemen te beïnvloeden door het aanbrengen van diffusiebarrières tussen de Moen Si-lagen, bijvoorbeeld met een dunne laag boriumcarbide (B4C). In dit geval blijkt de diffusie in twee stadia te verlopen, namelijk een langzame verzadiging van de diffusiebarrière, en een volgende, versnelde diffusie door de verzadigde barriè-

re, waarbij de snelheid van het tweede stadium afhangt van de barrièredikte (zie figuur 2). De unieke mogelijkheid die LEIS biedt om met ionen te kijken naar diffusie in deze ultradunne lagen levert daarmee een belangrijke bijdrage aan het begrip van de werking en de verdere verbetering van diffusiebarrières.

Figuur 1. De verandering van het LEISspectrum tijdens verhitting van Mo/Simultilaagstructuren geeft aan dat Mo naar het oppervlak diffundeert. Figuur 2. Diffusieconstanten als functie van de dikte van een diffusiebarrière van B4C tussen de Mo- en Si-lagen. De diffusiesnelheid in stadium twee is sterk afhankelijk van de barrièredikte, terwijl het eerste stadium, een verzadiging van het barrièremateriaal, zoals verwacht onafhankelijk is van de dikte.

partner: Carl Zeiss

Het doel van het Industrial Partnership Programme “Extreme UV multilayer optics” is het ontwikkelen en toepassen van de natuurkunde en aanverwante procestechnologie om periodieke multilaagsstructuren te maken die atomair scherpe vlakke interfaces hebben, chemisch stabiel en stralingsbestendig zijn en tot op sub-nanometerschaal dimensioneel zijn gecontroleerd. De looptijd van het programma is 2005-2009 en het budget voor die periode bedraagt 7,9 miljoen euro. De leiding van het programma is in handen van prof.dr. F. Bijkerk (Rijnhuizen).



Metrology with frequency comb lasers

Ongehoorde precisie in lange-afstandsmeting

1

2

In 1907 ontving Albert Abraham Michelson de Nobelprijs voor natuurkunde vanwege “zijn optische precisie-instrumenten en het daarmee uitgevoerde spectroscopisch en metrologisch onderzoek”. Vooral door zijn onderzoek is optische interferometrie sindsdien de standaardmethode voor extreem nauwkeurige afstandsmetingen geworden. De komst van spectraal zeer smalle laserlichtbronnen en van frequentiestabilisatie hebben zeer constante en nauwkeurig bepaalde lichtgolflengtes beschikbaar gemaakt. Met de fundamentele standaard voor frequentie voortvloeiend uit een hyperfijnovergang in cesium (9 192 631 770 Hz) en de in 1983 internationaal vastgelegde snelheid van het licht in vacuüm (299 792 458 m/s) beschikken we in principe over een uiterst nauwkeurige lengtestandaard via de frequentie van een gestabiliseerde lichtbron. Het leggen van de verbinding tussen de ‘radiofrequentie’ van de cesiumklok en de ongeveer honderdduizend maal hogere frequenties van optische lichtbronnen was altijd zeer bewerkelijk, maar is dramatisch vereenvoudigd door de uitvinding van de frequentiekamlaser (Nobelprijs 2005, John Hall en Theodor Hänsch). De frequentiekamlaser gedraagt zich uiterlijk als een wit-licht laserbron maar bestaat in werkelijkheid uit een zeer groot aantal ruimtelijk gesuperponeerde individuele lichtbundels met een zeer nauwkeurig bepaald onderling frequentieverschil. Met deze lichtbron kan men een

absolute afstandsmeting uitvoeren gebaseerd op het principe van meer-golflengte interferometrie. Dit in tegenstelling tot de klassieke incrementele interferometrie volgens Michelson met één golflengte waarbij afstandsverschillen gemeten kunnen worden door interferentiemaxima en -minima te tellen bij het verplaatsen van een spiegelend object. Extreem nauwkeurige lange-afstandsmeting kent toepassingen zowel in de ruimte als op aarde; in het laatste geval spelen de optische eigenschappen van lucht (gemiddelde dichtheid, ruimtelijke en tijdsfluctuaties, absorptie) een belangrijke rol. Onderzoekers in de Delftse werkgroep FOM-D-25 werken aan toepassing van de frequentiekamtechniek voor extreem nauwkeurige afstandsbepaling. Hun experimentele opstelling met de zelfgebouwde titaan-saffier pulslaser van het Nederlands Meetinstituut is schematisch weergegeven in figuur 1. In figuur 2 is een

typisch interferentiepatroon geschetst dat ontstaat indien het weglengteverschil in de interferometer in de buurt komt van de waarde l=c/Δf met Δf de frequentieafstand tussen de ‘tanden’ van de frequentiekambron. De eerste meetresultaten voor absolute afstandsmeting hebben meteen de principieel haalbare subgolflengte-nauwkeurigheid bevestigd. Verder onderzoek zal zich richten op submicronnauwkeurige afstandsmeting over tientallen meters in lucht en in vacuüm.

Figuur 1. Schets van de experimentele opstelling en de repeterende interferentiepatronen die ontstaan bij specifieke waarden van het optisch wegverschil. Figuur 2. Een karakteristiek interferentiepatroon bij een weglengteverschil van ongeveer N lp p /2 (de signaalvariatie bij herhaalde meting is aangegeven in de detailschets).

partners: NMi, TNO, ASML

Het doel van het Industrial Partnership Programme “Metrology with frequency comb lasers” is het toepassen van frequentiekamlasers in precisiefrequentie en lengtemetingen, en het verder verbeteren en ontwikkelen van deze geavanceerde systemen in termen van golflengtebereik, compactheid en intensiteit. NMi heeft als belangrijkste doel het leggen van de basis voor toekomstige atoomklokken en operationele lengtestandaarden. TNO steunt en bevordert de ontwikkeling van frequentiekamlasers met het oog op toepassingen in ruimtevaart en ruimteonderzoek. ASML stelt vooral belang in contacten met de onderzoekers. De looptijd van het programma is 2006-2010, het budget voor die periode bedraagt 1,1 miljoen euro en de leiding van het programma is in handen van prof.dr. W.M.G. Ubachs (VU).



Fundamentals of heterogeneous bubbly flow

Belzwermen onder de loep

Binnen dit programma bestuderen onderzoekers in de Twentse werkgroep FOM-T-19 de fysische en chemische transportverschijnselen in een zwerm stijgende bellen in een vloeistof. Ze maken gebruik van directe numerieke simulatie en nietinvasieve meettechnieken om de vloeistofstroming rondom de bellen in detail te onderzoeken. De (petro)chemische-, metallurgische en bioprocesindustrie passen grootschalige bellenkolommen toe om een groot gasvloeistofgrensvlak te creëren. Gedetailleerde kennis van de beschrijving van de transportverschijnselen in deze systemen (zoals transport van massa, impuls en warmte) is noodzakelijk om deze systemen efficiënter te bedrijven en te ontwerpen. De afgelopen jaren is het onderzoek naar de modellering van bellen in een vloeistof met grote sprongen vooruit gegaan; van een enkele bel die door een vloeistof stijgt is het mogelijk om de vorm, bewegingssnelheid en -richting te beschrijven. Daarmee kunnen sluitingsrelaties voor de verschillende hydrodynamische krachten (zoals weerstandskracht, liftkracht en virtuele massakracht) die op de bel werken worden afgeleid. Met deze sluitingsrelaties kunnen modellen worden gemaakt die het proces op grotere schaal beschrijven. In tegenstelling tot de simulaties van afzonderlijke bellen zijn in de genoemde industriële processen echter zwermen van bellen aanwezig. De krachten op de bellen in een zwerm zullen echter verschillen

van de krachten op een enkele bel. In de Twentse groep worden daarom belzwermen in een vloeistof numeriek gesimuleerd om deze relaties ook voor zwermen te achterhalen, waarbij technieken als Particle Image Velocimetry voor modelvalidatie worden gebruikt. De directe numerieke simulaties worden uitgevoerd met een zogenaamd ‘Front Tracking’-model, waarmee het grensvlak en de oppervlaktespanningskracht zeer nauwkeurig kunnen worden beschreven. Hierbij zullen diverse fysische parameters worden gevarieerd, waaronder de gasfractie en belgrootte, maar ook de viscositeit en dichtheid van zowel gas als vloeistof.

Om de rekentijd te verkorten zullen de onderzoekers het Front Tracking-model uitbreiden met een adaptieve gridverfijningsfunctie, waarmee een verhoogde mate van detail wordt berekend in gebieden waar dit van belang is (bijvoorbeeld het grensvlak). In een later stadium zal het model worden uitgebreid met modules voor energie- en massatransport, en chemische reacties. De informatie die hiermee wordt verkregen met betrekking tot massa en energie leidt tot sluitingsrelaties (analoog aan de genoemde hydrodynamische sluitingsrelaties) waarmee bestaande chemische processen zullen worden beschreven.

partners: Akzo Nobel, Corus, DSM, Shell

Het volgen van afzonderlijke bellen (de bol in het midden) in een belzwerm door de tijd is één van de manieren om de eigenschappen van de zwerm als geheel te doorgronden.

Het hoofddoel van het programma is het bestuderen van de basis van stromingen met bellen erin, geïnspireerd door vragen uit de industriële praktijk. Twee groepen met aanzienlijke ervaring in onderzoek aan gedispergeerde stromingen pakken dit gezamenlijk met experimentele, theoretische en numerieke technieken aan. Bijkomend doel is jonge mensen in het gebied van meerfasestroming op doctorsniveau op te leiden. De looptijd van het programma is 2007-2012 en het budget voor die periode bedraagt 1,0 miljoen euro. De leiding van het programma is in handen van prof.dr.ir. J.A.M. Kuipers (UT).



Microscopy and modification of nano-structures with focused electron and ion beams

Plasmonen opgesloten in gouden nanostructuren

Figuur 2. Een afbeelding met behulp van kathodeluminescentie van de structuur in figuur 1. Deze afbeelding laat de lichtemissie zien als functie van de positie van de elektronenbundel. De emissie bij twee verschillende golflengten heeft kenmerken van verschillende plasmonresonanties met verschillende ruimtelijke eigenschappen. Figuur 3. Emissiespectrum als functie van elektronenbundelpositie op een lijn tussen twee tralies die met een gefocusseerde ionenbundel zijn vervaardigd in kristallijn goud. De horizontale donkere lijnen komen overeen met de traliegroeven.

1

200 nm

0

2

585 nm

680 nm

Intensiteit (genormaliseerd)

E-bundel positie (nm)

100

1

200 300 400 500 600 700 0

0 100 200 100 E-bundel positie (nm)

4

3

0

120

3.5

100

3 2.5

80

2

60

1.5

40

Intensiteit

Figuur 1. Opnames met een elektronenmicroscoop van een nanoresonator, gemaakt met een gefocusseerde ionenbundel.

geregistreerd. Door het spectrum te meten als functie van plaats van de elektronenbundel krijgen de onderzoekers inzicht in de energie en de intensiteitsverdeling van de plasmonresonanties. Figuur 2 laat zien hoe de intensiteit van de opgesloten plasmonen over de nanoresonator is verdeeld: de lichtintensiteit is laag respectievelijk hoog, wanneer de elektronenbundel invalt op een ‘knoop’ of een ‘buik’ van de resonantie. Oppervlakteplasmonen zijn vanwege hun korte golflengte een interessant middel om licht op nanoschaal te concentreren en manipuleren. Een resonator met een hogere kwaliteit kan worden gemaakt door plasmonen op te sluiten tussen twee tralies. Figuur 3 laat het emissiespectrum zien gemeten over een lijn tussen twee tralies die met een gefocusseerde ionenbundel waren vervaardigd in kristallijn goud. Uit de data is direct informatie af te leiden over de spectrale en ruimtelijke eigenschappen van de resonanties. In het Industrial Partnership Programme I14 van FOM met FEI Electron Optics, dat een samenwerking is tussen AMOLF en de Technische Universiteiten van Delft en Eindhoven, wordt onderzocht hoe de gefocusseerde ionenbundeltechniek kan worden gebruikt voor optische toepassingen, wat de technische en fysische limieten zijn, en hoe de techniek verder kan worden verbeterd. Dit is een voorbeeld van toepassing van de ionenbundel in rapid prototyping van nanofotonische componenten.

E-bundel positie (µm)

Oppervlakteplasmonen zijn elektromagnetische golven die zich voortplanten aan het oppervlak van een metaal. Onderzoekers op het FOM-Instituut voor Atoom- en Molecuulfysica (AMOLF) zijn er in geslaagd met behulp van een gefocusseerde ionenbundel structuren in een éénkristal van goud te schrijven waarmee deze plasmonen kunnen worden opgesloten. De gefocusseerde bundel van galliumionen heeft een afmeting van slechts 7 nanometer, waarmee extreem fijne structuren uit het goud kunnen worden weggeëtst. Figuur 1 laat een gouden nanodraad zien, die is ontstaan door het wegetsen van een deel van het omringende goud. In deze nanoresonator worden vervolgens oppervlakteplasmonen aangeslagen met een elektronenbundel in een scanning elektronenmicroscoop. De elektronenbundel (diameter < 10 nanometer) exciteert plasmonen met hoge resolutie, veel kleiner dan hun golflengte. Door verstrooiing van de plasmonen aan de wand van de resonator wordt licht uitgekoppeld, dat vervolgens met een detector wordt

1 20

0.5 0

500

600 700 Golflengte (nm)

800

0

partner: FEI Electron Optics

Doel van het programma is door gezamenlijk onderzoek op het gebied van nanotechnologie elektronenmicroscopen en ionenbundelmachines tot het uiterste te verbeteren, om daarmee de structuur van materialen tot op de schaal van een enkel atoom zichtbaar te maken en te bewerken. Hiervoor zijn nieuwe geavanceerde kennis en technologie vereist. Zowel de instrumenten zelf als de gebruikte processen zullen onderwerp van studie zijn. De looptijd van het programma is 2007-2011 en het budget voor die periode bedraagt 2,7 miljoen euro. De leiding van het programma is in handen van prof.dr.ir. P. Kruit (TU Delft).


FOM-projectruimte

project 02PR2082

Medische diagnostiek via een ademtest

De adem van de mens bevat veel informatie over aanwezige processen en ziekten in het lichaam. Dankzij nieuwe massaspectrometrische methoden met een ionenval is het mogelijk nu nog beter uitgeademde gassen op een zeer laag concentratieniveau van elkaar te onderscheiden en zo meer informatie over ziekten te vergaren. Onderzoeker Marco Steeghs onderzocht als FOM-oio in de Nijmeegse werkgroep FOM-N-03 de mogelijkheden van massaspectrometrie. Hij ontwikkelde een Proton-transfer-reaction Ion Trap Mass Spectrometer. Met deze ionenval kunnen de geladen deeltjes die hij opspaart, door zijn speciale vorm en aansturing snel en massaselectief worden uitgelezen. Ook kan men een ionenmassa in de val isoleren, waarna men ze via botsingen met helium laat dissociëren (Collision induced dissociation, CID). De kracht waarmee de ionen op het helium botsen is nauwkeurig te controleren; iedere stof heeft zijn eigen fragmentatiepatroon en is dus zo te analyseren. Dat het werkt, liet Steeghs zien aan de hand van metingen aan de CID-patronen van 10 verschillende monoterpenen die dezelfde massa hebben. Voor de diagnose van ziekten is het uitgangspunt dat ziekten sporen achterlaten in de adem. Bekend is de slechte adem van sommige mensen als gevolg van een bacteriële infectie in de mond en keel. De oude Grieken wisten al aan de hand van de fruitige acetongeur van iemands adem de diagnose ‘diabetes’ te stellen. Een

ademteug bevat ruim 400 verschillende stoffen. De vraag is dus: welke stoffen vertellen iets over welke ziekte en hoe kun je die vervolgens meten? Ademanalyse is in principe niet-invasief en dus een ideale diagnostische test. Via een groot onderzoek van het Universitair Medisch Centrum Utrecht naar schade door langdurig zwaar roken, kon Steeghs de uitademingslucht vergelijken van 450 mensen met en zonder longemfyseem,

Schematische weergave van de Proton-transfer-reaction Ion Trap Massa Spectrometer (PIT-MS). In de ionenbron (1) wordt H3O+ gevormd, dat in de driftkamer (2) reageert met de sporengassen. Deze worden gevangen in de ionenval (3) waar massaselectie en verdere analyse plaatsvindt. De ionen uit de ionenval worden door een conversiedynode en elektron multiplier (4) gedetecteerd.

102 Hoogtepunten uit het onderzoek • FOM-projectruimte

nadat ze eerder een CT-scan en longfunctietests hadden ondergaan. Via uitgebreide statistische analyse zijn er potentiële markeerstoffen gevonden waarmee te voorspellen is of iemand longemfyseem heeft of niet. Steeghs verwacht dat de methode uiteindelijk ook te gebruiken is voor andere ziektes zoals tuberculose waar momenteel in samenwerking met het Koninklijk Instituut voor de Tropen onderzoek naar gedaan wordt.

FOM-projectruimte

project 02PR2095

Snelle signalen

1

2

Met het steeds sneller worden van computeronderdelen en digitale apparatuur worden veelgebruikte goedkope verbindingen een bottleneck voor de snelheid. FOM-promovendus Jan-Rutger Schrader die onderzoek deed in de Twente werkgroep FOM-T-25, ontwierp daarvoor een oplossing: een chip die het signaal slimmer verstuurt en zo hogere snelheden (tot 5 gigabit per seconde) mogelijk maakt over dezelfde verbindingen.

den aan, maar is voor korte afstanden te duur. Signalen slimmer versturen is een mogelijke oplossing.

Omdat koper zo goedkoop is, wordt dat materiaal gebruikt voor bijna alle verbindingen in de elektronica. Het is zeer geschikt om data te verzenden over korte afstanden. ‘Kort‘ varieert van enkele millimeters binnen een chip, via de verbindingen binnen een pc (tussen processor en harde schijf bijvoorbeeld), tot tientallen meters voor de kabels in een lokaal (thuis-) netwerk. Het nadeel van koper is dat het signaal wordt gedempt en vervormd als de afstanden te lang worden, of de datasnelheid te hoog. Het alternatief is een glasvezelverbinding. Die kan moeiteloos hoge snelhe-

De demping is een functie van zowel de lengte als de kwaliteit van de kabel. De kabeldemping zorgt ervoor dat een abrupte overgang in de elektrische spanning door de ontvanger wordt ‘gezien‘ als een geleidelijke. De bits in het signaal gaan elkaar overlappen, met als gevolg dat een enkele ‘nul‘ in een rij ‘enen‘ gemakkelijk wordt gemist. Schrader heeft dat opgelost door het signaal voor verzenden door een egalisatiefilter te sturen. Een egalisatiefilter is op zich niets nieuws, maar Schraders ontwerp is veel eenvoudiger dan andere oplossingen. Daarin wordt direct na een ‘één’ een korte negatieve spanning verstuurd. Door de verhouding tussen de positieve en de negatieve spanning in te stellen, kan het filter (met één knop) op de kabel aangepast worden. Het ontwerp is bovendien future-proof. Het is met toekomstige IC-technologieën nog gemakkelijker te maken dan nu al het

geval is; het profiteert zelfs van de steeds hogere schakelsnelheden en heeft geen last van de steeds lagere voedingsspanningen van toekomstige IC‘s. Het lukte Schrader met de chip data door een eenvoudige koperdraad te sturen met een snelheid van 5 gigabit per seconde, ofwel tien keer sneller dan met de huidige USB 2.0-verbindingen mogelijk is. Met de volgende USB-generatie mikt onder andere Intel ook op zo‘n snelheid. De techniek die Schrader ontwikkelde is een goede kandidaat voor de toekomstige USB 3.0standaard.

Figuur 1. De chip die data tot 5 gigabit per seconde over eenvoudige koperen kabels kan verzenden. Foto Jan-Rutger Schrader Figuur 2. Een deel van de opstelling waarmee de metingen zijn gedaan. Foto Jan-Rutger Schrader


FOM-projectruimte

project 03PR2218

Diamonds in the sky?

1

Diamantoïden zijn moleculen met een koolstofframe in de vorm van een diamantrooster dat aan de buitenkant afgesloten is met waterstof. De eenvoudigste diamantoïde, adamantaan, bestaat uit één diamantkooi en kan tegenwoordig eenvoudig gesynthetiseerd worden. Naarmate de diamantoïden groter worden, zijn ze moeilijker of helemaal niet meer te synthetiseren. Onlangs zijn deze moleculen echter geïsoleerd uit ruwe olie, waar ze als sporenelementen in voorkomen. Infrarode emissiebanden rond 3,5 micrometer die waargenomen worden in de spectra van twee jonge sterren worden toegeschreven aan diamantachtige nanodeeltjes. Deze hypothese is gebaseerd op IR-spectra van met waterstof behandelde dunne diamantfilms en van gedeponeerde diamantdeeltjes met een gemiddelde

2

grootte van 50 nanometer of meer. Voor het eerst hebben onderzoekers, onder wie een wetenschapper van het FOM-Instituut voor Plasmafysica Rijnhuizen, de astronomische spectra nu vergeleken met de spectra van moleculaire diamantoïden, die veel kleiner zijn. De interstellaire emissiespectra laten twee spectrale componenten zien rond een golflengte van 3,5 micrometer, waarvan de posities goed overeenkomen met de spectra van diamantoïden met hoge (tetraëdrische) symmetrie, adamantaan en pentamantaan (zie figuur 1). De relatieve intensiteiten van de twee componenten komen minder goed overeen. De twee absorptiebanden zijn toe te kennen aan de strekvibraties van de CH- en de CH2-eenheden in de moleculen. Voor

Figuur 1. Emissiespectrum van HD97048 (wit), een jonge ster waarvan een artistieke impressie zichtbaar is op de achtergrond (bron: ESO) vergeleken met het opgetelde absorptiespectrum van tetraëdrische diamantoïden adamantaan en pentamantaan (geel). De interstellaire band rond 3,3 micrometer wordt overigens toegeschreven aan polyaromatische moleculen. Figuur 2. Berekeningen laten zien dat voor grotere tetraëdrische diamantoïden de intensiteitsverhouding van de twee banden meer gaat lijken op die van de interstellaire emissiespectra. In de structuren zijn de H-atomen aan de buitenkant voor de duidelijkheid weggelaten.


grotere moleculen, waarvoor geen experimentele spectra beschikbaar zijn, verandert de verhouding van het aantal CH- en CH2-eenheden, omdat de verhouding volume/oppervlak verandert. Er kan aangetoond worden dat de relatieve intensiteit van de twee absorptiebanden daardoor de interstellaire verhouding benadert voor diamantoïden bestaande uit zo’n 100 tot 150 koolstofatomen. Deze moleculen zijn slechts enkele nanometers groot, veel kleiner dan wat geconcludeerd werd uit de spectra van nanodeeltjes. De vraag blijft waarom vooral de diamantoïden met hoge symmetrie een goede match geven en de moleculen met lagere symmetrie niet; hun spectra laten nog een band zien tussen de andere twee in. De tetraëdrische symmetrie is thermodynamisch het voordeligst en wellicht hebben de astronomische tijdschalen waarop de moleculen gevormd zijn deze structuren bevoordeeld. Misschien is het ook zo dat de spectra voor grotere deeltjes steeds verder convergeren naar die met een tetraëdrische symmetrie, die het meest lijkt op die van een ‘oneindig’ diamantrooster.

FOM-projectruimte

project 04PR2307

Veranderen de natuurconstanten?

2

1

De discussie over mogelijke veranderingen van natuurconstanten is in het afgelopen decennium in een stroomversnelling geraakt doordat frequenties van atomaire en moleculaire resonantielijnen met steeds grotere precisie gemeten kunnen worden, zowel met lasers in het laboratorium als ook met de grootste klasse van telescopen, gekoppeld aan hoge-resolutie échelle-spectrografen. In eerste instantie werd gezocht naar een mogelijke verandering van α, de fijnstructuurconstante, die de sterkte van de elektromagnetische wisselwerking bepaalt. Het werk van FOMpromovendus Edcel Salumbides uit de werkgroep FOM-V-15 bij de Vrije Universiteit richt zich op een mogelijke variatie van een andere constante, de verhouding van de massa van het proton tot de massa van het elektron. Die constante wordt aangegeven met μ en de waarde van dit

dimensieloze getal is 1836,15267261; er bestaat geen natuurkundige theorie die deze waarde verklaart. Een verandering van μ geeft aan dat de kernkracht (sterke wisselwerking) zou veranderen t.o.v. de elektrozwakke krachten. Een verandering van μ kan bij uitstek bepaald worden uit spectraallijnen van moleculen in de gasfase, want die zijn via de massa-afhankelijke trillingsbewegingen (rotaties en vibraties) afhankelijk van de massa van de kerndeeltjes. Moleculair waterstof, of het H2-molecuul, is het meest voorkomende molecuul in het universum en het H2spectrum kan worden waargenomen in wolken van 12 miljard jaar oud. Leden van de FOM-werkgroep zijn zelf betrokken bij astrofysische waarnemingen van waterstofmoleculen bij hoge roodverschuiving, die gedaan worden op het complex van de Very Large Telescopes van de Europese

Figuur 1. De Very Large Telescopes van de Europese Zuidelijke Sterrewacht in Chili. Foto ESO

Zuidelijke Sterrewacht in Paranal, Chili. Op een van die VLT’s is een spectrograaf (UVES) gemonteerd waarmee spectra van H2-moleculen worden geregistreerd, die 12 miljard jaar oud zijn. In het Lasercentrum van de Vrije Universiteit worden dezelfde spectraallijnen van H2 (in het ‘moeilijke gebied’ van het extreem ultraviolet rond 100 nanometer; in de astrofysische waarnemingen liggen de lijnen door roodverschuiving in het nabije ultraviolet) met de hoogst mogelijke precisie gemeten. Door een combinatie van technieken waarover het Lasercentrum beschikt leveren de metingen een nauwkeurigheid van de spectraallijnen op van 10-9 (een op de miljard). Deze waarden zijn nu zo precies, dat een afschatting van een mogelijke verandering van μ volledig afhankelijk is van de nauwkeurigheid van de astrofysische data. Uit de tot nu bekende data volgt een indicatie dat μ in de afgelopen 12 miljard jaar met 0,002% kleiner is geworden. Deze vondst moet echter verder bevestigd worden en ondersteund door aanvullende astrofysische waarnemingen.

Figuur 2. De zelfgebouwde laseropstelling van de FOM-groep bij de VU die voor de metingen van spectraallijnen van waterstofmoleculen is gebruikt.


FOM-projectruimte

project 05PR2438

Opstopping in een stapel korrels

Eigenschappen van korrelachtige media – een duin, een hoop zand, een zak suiker of zout – zijn vaak heel verrassend. Als je een zak zout een beetje scheef houdt, dan stroomt de zak niet leeg zoals een beker met water zou doen, en knijp je in de zak dan voelt die hard aan. Maar houd je de zak flink scheef dan stroomt het zout eruit als een vloeistof uit een beker. Dit zo bekende maar in wezen verrassende gedrag hangt samen met het feit dat zoutkorrels ontzettend veel groter zijn dan de moleculen waaruit een gewone vloeistof bestaat. Anders dan moleculen die continu door elkaar bewegen, is de thermische beweging van de korrels verwaarloosbaar. Bovendien ondervinden korrels wrijving. Naarmate korrels meer tegen elkaar aan worden gedrukt, wordt het moeilijker ze langs elkaar te laten glijden. In een hoop zand of zout liggen de korrels kriskras door elkaar. Sommige liggen inge-

klemd tussen veel andere korrels en drukken hard tegen elkaar aan, andere liggen bijna vrij en drukken maar een beetje tegen elkaar. Hoe ontstaan de verrassende eigenschappen van zo’n wanordelijke stapel van korrels? In de werkgroepen FOM-L-07 en FOM-L-25 bij de Universiteit Leiden hebben onderzoekers ontdekt hoe veel eigenschappen van dergelijke korrelachtige media afhangen van hoe sterk de stapel samengedrukt is. Zoals de bovenste figuur illustreert, kunnen bij lage dichtheid alle korrels los neergelegd worden. Als de dichtheid toeneemt, ontstaat er een moment waarop alle deeltjes net vastgeklemd komen te zitten – dit punt is met J aangegeven in de figuur, van het Engelse woord Jamming (als het vastzitten van het verkeer in een traffic jam). Voeren we de dichtheid verder op, dan drukken de deeltjes steeds meer tegen elkaar waardoor ze sterker vastge-


klemd komen te zitten. De onderste figuur illustreert dat de stapels ook heel verschillend op vervorming reageren. Voor hoge dichtheid, rechts, verplaatsen naburige deeltjes zich min of meer in dezelfde richting, terwijl vlakbij punt J de verplaatsingen van de deeltjes veel grilliger zijn. Nieuwe theoretische concepten relateren de verandering in dit en ander gedrag tot de afstand tot het Jamming point J.

Boven. Bij lage dichtheid liggen alle korrels vrij. Het punt waarbij voor toenemende dichtheid alle korrels elkaar net raken, wordt het Jamming point J genoemd. Voor grotere dichtheid zijn er meer contacten, en zijn de krachten veel groter. Onder. Twee voorbeelden van verplaatsing van alle korrels in hopen die vervormd worden zoals de pijlen aangeven. De korrels van de linker pakking vlakbij punt J reageren veel wanordelijker dan die van de dichtere pakking rechts.


BUW

Magneten schakelen met licht

een uitdaging, want theoretische voorspellingen gaven aan dat er niet voldoende fotonen in een optische puls aanwezig zijn om het benodigde draaimoment naar het magnetische rooster over te dragen.

De alsmaar toenemende capaciteit en snelheid van moderne elektronica en met name computers heeft tot intensief onderzoek geleid hoe de capaciteit en de snelheid van magnetische data-opslag verhoogd kan worden. Terwijl de kloksnelheid van moderne computers reeds in het GHz-gebied ligt, blijft de schrijfsnelheid van de magnetische harde schijven steken bij enkele nanoseconden, waarbij de praktische limiet al bereikt lijkt te zijn. Met behulp van circulair gepolariseerde 40 femtoseconde laserpulsen is de Nijmeegse werkgroep FOM-N-11 erin geslaagd de magnetisatie van een dunne magnetische

film op een gecontroleerde manier te schakelen, zonder dat daarbij een uitwendig magneetveld te pas kwam. De ontdekking van dit ‘opto-magnetisch’ schakelen opent de weg naar een zeer snelle en efficiënte manier om magnetische data weg te schrijven met extreem hoge snelheden. Dat een circulair gepolariseerde femtoseconde laserpuls als een zeer sterke (tot zo’n 5 tesla!) en even zo korte magneetveldpuls kan dienen via het zogenaamde inverse Faraday-effect werd onlangs al door de Nijmeegse groep aangetoond in een publicatie in Nature. Een stabiele omkeer van de magnetisatie echter bleef

Ondanks deze ontmoedigende voorspelling is de Nijmeegse groep, in samenwerking met Japanse collega’s, er recent toch in geslaagd de magnetisatie in een dunne GdFeCo-film van 20 nanometer dikte om te polen met behulp van een enkele, 40 femtoseconde durende, circulair gepolariseerde optische puls. Dit resultaat roept onmiddellijk vragen op over de snelheid en het mechanisme van dit optisch schakelen. Blijkbaar wordt binnen 40 femtoseconde informatie over het impulsmoment van de fotonen aan de elektronen overgebracht door middel van een elektronfotoninteractie, hetgeen niet beschreven kan worden door de huidige, op de thermodynamica gebaseerde, theorieën over magnetisme. Deze ultrasnelle spindynamica is daarom ook een zeer uitdagend theoretisch probleem met belangrijke consequenties voor magnetische data-opslag (zie de figuur).

Het onderzoek is mede gefinancierd door het EU-RTN-netwerk

‘Dynamics’,

het

NanoNed-

programma en NWO (een Vidi-subsidie van het Gebied Natuurkunde voor dr. Alexey Kimel).

Demonstratie van optisch schrijven van magnetische ‘bits‘. Dit werd bereikt door een circulairgepolariseerde laserstraal over het preparaat te bewegen en gelijktijdig de polarisatie van de straal tussen links- en rechtshandig te moduleren. De publicatie hierover haalde de omslag van Physical Review Letters van 27 juli 2007.

107 Hoogtepunten uit het onderzoek • Overige onderzoeksactiviteiten


AMOLF

Met een waterdruppel de dikte van polymeerfilms bepalen Leg een waterdruppeltje op een drijvende, dunne polymeerfilm en er ontstaan rimpels rond de druppel onder invloed van diens oppervlaktespanning. Met een eenvoudige microscoop is dit al te zien. Het aantal rimpels en hun lengte blijkt een directe maat te zijn voor de elasticiteit en de dikte van de polymeerlaag. Rimpels ontstaan wanneer een mechanische spanning wordt opgelegd aan een film op een ondergrond die andere elastische eigenschappen heeft dan de film zelf. Alom bekende voorbeelden zijn de rimpels in de huid (epidermis) op de ondergrond van de veel ‘zachtere’ dermis, of in de schil van een appel als het vruchtvlees uitdroogt. Deze verschijnselen spelen ook op nanoschaal in biologische membranen en polymeerfilms, maar zijn dan moeilijk te onderzoeken onder gecontroleerde omstandigheden. Een internationaal onderzoeksteam waarin het FOMInstituut voor Atoom- en Molecuulfysica (AMOLF) participeerde, heeft experimenten gedaan met behulp van dunne cirkelvormige polymeerfilms die drijven op een vloeistof, bijvoorbeeld water. Door in het midden van de film een kleine kracht uit te oefenen, ontstaat een radieel patroon van rimpels. Dit kan door indrukken met een pin, met een klein gewichtje, of bij voorkeur door het positioneren van een microdruppel water (zie de illustratie). In de praktijk zijn polystyreenfilms gebruikt met een dikte tussen 30 en 300 nanometer en een diameter van 23 millimeter. Omdat polystyreen waterafstotend is, blijft de film op water drijven en wordt deze vlak gehouden door de oppervlakte-

spanning polystyreen-water aan de rand van de film. De additionele kracht die ontstaat door een waterdruppel in het midden te plaatsen, kan gemakkelijk gevarieerd worden door met een micropipet het volume te veranderen in stappen van 0,2 microliter. Het rimpelpatroon wordt vastgelegd met een microscoop voorzien van een digitale camera. De rimpels zijn een direct gevolg van het feit dat buigen van een dunne film veel minder energie kost dan het strekken. Minimalisering van de elastische energie met inachtneming van de randcondities leidt tot schaalwet-

Vier polystyreenfilms (de dikte is in de figuur aangegeven) drijvend op een wateroppervlak met in het midden een waterdruppeltje van steeds dezelfde diameter. Op elk van de foto’s is de schaal dus anders! Met toenemende dikte van de film neemt het aantal rimpels af (van 111 linksboven via 68 en 49 naar 31 rechtsonder); tegelijkertijd worden de rimpels langer. De lichte vlek op de druppel ontstaat door reflectie van het invallende licht; in deze richting zijn de rimpels minder goed zichtbaar.


ten voor het aantal rimpels en hun lengte. De theorie vertaalt de oppervlaktespanning van de waterdruppel in capillaire krachten die in het vlak van de polymeerfilm werken (het gewicht is verwaarloosbaar) en kan het rimpelpatroon goed verklaren. Omgekeerd levert dit proces na ijking een meetmethode om met eenvoudige hulpmiddelen de elasticiteit en de dikte van zeer dunne lagen te bepalen.

Het onderzoek is gefinancierd uit het missiebudget van AMOLF.


AMOLF

‘Fotonische vingerafdrukken’ zichtbaar gemaakt

Alle dingen in de natuur kunnen worden beschreven met hun zogeheten eigentoestanden, van de elektronen in een atoom tot de trilling van een gitaarsnaar. Zo zijn er ook eigentoestanden van licht in een fotonische structuur. De fotonische eigentoestanden bepalen op welke manieren licht mag voortbewegen. Denk hierbij aan bijvoorbeeld snelheid en richting bij een bepaalde energie (kleur). Ook bij de overgang van het ene fotonisch medium naar een ander, bepalen de eigentoestanden of en hoe de koppeling plaatsvindt. Voor een volledig begrip van een optisch systeem is het daarom essentieel om de eigentoestanden goed te kennen. Een interessant optisch systeem is een systeem opgebouwd uit fotonische kristallen, waarin licht kan worden vertraagd, geleid en wellicht zelfs opgesloten. In het laatste decennium is er enorme interesse ontstaan in deze kristallen, vanwege hun vele toepassingsgebieden in optische circuits voor telecommunicatie of sensoren. Het onderzoek aan deze kristallen is echter niet triviaal, aangezien er (normaal gesproken) niet in de kristallen gekeken kan worden hoe het licht zich voortplant. Met een zogenaamde nabije-veldmicroscoop kan dit echter wel. Met deze unieke

microscoop zijn onderzoekers op het FOM-Instituut voor Atoom- en Molecuulfysica (AMOLF) erin geslaagd om de optische golfbewegingen, de eigentoestanden, zichtbaar te maken. Meestal bevindt licht zich in meerdere eigentoestanden tegelijkertijd op dezelfde plaats. Hierdoor is het moeilijk om ze te onderscheiden. Iedere eigentoestand heeft echter een unieke richting en unieke golflengte. Door de periodiciteit van de golf als functie van de richting uit te zetten, met ander woorden door de gemeten golfbewegingen te vertalen naar de zogeheten reciproke ruimte, kunnen de eigentoestanden van elkaar worden gescheiden, zelfs als deze zich in de reële ruimte op dezelfde positie bevinden. De weergave van een golf in de

reciproke ruimte kan daarom gezien worden als een ‘fotonische vingerafdruk’ van de golf. Door de ‘fotonische vingerafdrukken’ te volgen op een ultrasnelle tijdsschaal kan het dynamische gedrag van een nanofotonische structuur op een ongeëvenaarde wijze worden ontrafeld. Het maken van dit soort films in de reciproke ruimte is ook zeer krachtig voor het bestuderen van smeltgedrag met röntgenstraling of de dynamica van elektrongolven aan het oppervlak van een vaste stof.

Het onderzoek is mede gefinancierd vanuit een Vici-subsidie van NWO.

1-6. Tijdsopgeloste en fasegevoelige meting van lichtpulsen in een nano-optische chip op basis van een fotonisch kristal met tijdsstappen van 400 femtoseconden. De figuren zijn 41x41 μm2 groot. De rode en blauwe kleur geven respectievelijk het positieve en negatieve elektrisch veld aan. De periode hiervan is de golflengte van het licht. 7-12. De ‘fotonische vingerafdrukken’ van het licht in de structuur, verkregen door de metingen te vertalen naar de reciproke ruimte. Elk van de lijnen of cirkels komt overeen met een eigentoestand van het voortbewegende licht.



KVI

Extreem energierijke deeltjes uit de kosmos: eerste zicht op hun herkomst Sinds 2005 is Nederland lid van het Pierre Auger samenwerkingsverband en neemt het deel aan het grootste observatorium voor kosmische stralen ter wereld: het Pierre Auger Observatorium, gelegen aan de voet van het Andesgebergte in het westen van Argentinië. Met dit observatorium worden sinds januari 2004 waarnemingen verricht om de oorsprong van kosmische stralen met een extreem hoge energie te achterhalen. De minimale energie waarbij dit observatorium een bijna volledige detectiegevoeligheid heeft, ligt bij 3 EeV (3.1018 eV). Dit is een veel hogere energie dan bereikt zal worden met de LHC-versneller van CERN te Genève. Het belangwekkendste recente resultaat van het observatorium werd gepubliceerd in de Science van 9 november 2007: de richting waaruit geobserveerde deeltjes met een energie van meer dan 60 EeV komen, correleert zeer sterk met de richting en plaats van actieve kernen van nabije extragalactische sterrenstelsels. De redactie van Science riep dit resultaat uit tot één van de tien belangrijkste wetenschappelijke ontdekkingen uit 2007. Onderzoekers van het KVI in Groningen, het Nikhef in Amsterdam en de Radboud Universiteit Nijmegen werken samen aan het ontwikkelen van een nieuwe techniek om hoogenergetische kosmische straling te detecteren. Wanneer een deeltje de atmosfeer binnen dringt, ontstaat een voortrazende lawine van elektronen en positronen. Het zwakke signaal dat door deze wolk wordt uitgezonden kan met behulp van eenvoudige antennes gemeten worden. Omdat de dikte van het lawine-

front ongeveer 10 meter is, zijn deze signalen coherent in het gebied van de HFband (van 3-30 MHz). Hierdoor is de sterkte van het signaal evenredig met het aantal elektronen en positronen, en dus met de oorspronkelijke energie. Door gebruik te maken van meerdere antennes, die in een regelmatig patroon geplaatst worden met onderlinge afstanden van enige honderden meters, kan ook de aankomstrichting van de straal bepaald worden. Zo kan radiodetectie gebruikt worden als een complementaire detectietechniek naast de ‘standaard’technieken: watertanks geplaatst op de oppervlakte van de aarde, die Cherenkovstraling registreren van deeltjes die de oppervlakte van de aarde bereiken, en optische telescopen, die het zwakke fluorescentielicht meten in de atmosfeer. Met behulp van een prototype voor het meetstation, dat de Nederlandse onderzoekers aan het ontwikkelen zijn, werden in 2007 bij het Pierre Auger Observatorium de eerste radiosignalen gemeten veroorzaakt door kosmische stralen.

De rode kruisjes geven de positie aan de hemel van 472 actieve melkwegkernen (of AGN’s); die staan binnen een afstand van een kleine 250 miljoen lichtjaar van ons vandaan. Het blauwe gedeelte - binnen de getrokken lijn - is het blikveld tot op 30 graden boven de horizon van het Pierre Auger Observatorium. Hoe blauwer, hoe beter de gevoeligheid van het observatorium. De cirkels geven de aankomstrichtingen aan van de 27 meest energierijke deeltjes die tot nog toe zijn gedetecteerd. Hun energie is groter dan 60 EeV. Twee van die cirkels vallen binnen een nauwkeurigheid van drie graden samen met Centaurus A, de AGN die het dichtst bij de aarde staat (op 15 miljoen lichtjaar afstand). De streeplijn geeft het zogeheten supergalactische vlak aan. Langs dat vlak is een groot aantal nabije melkwegen, inclusief AGN’s, geconcentreerd.

Nederlandse partners in het Pierre Auger Observatorium zijn het ministerie van OCW, NWO en FOM. Deelnemende Nederlandse onderzoekers zijn afkomstig van het Institute for Mathematics, Astrophysics and Particle Physics (IMAPP) van de Radboud Universiteit Nijmegen, het Kernfysisch Versneller Instituut (KVI), het Nationaal instituut voor subatomaire fysica (Nikhef) en de Stichting Astronomisch Onderzoek in Nederland (ASTRON).



Rijnhuizen

Stralingsgeïnduceerde plasmavorming aan spiegeloppervlakken De volgende generatie computerchips zal gemaakt worden met lithografiemachines die in het extreem-ultraviolet (EUV) werken, met name 13,5 nanometer. Hierbij wordt een uiterst helder en intens plasma gebruikt als lichtbron. Een systeem van multilaagspiegels beeldt vervolgens een patroon daarmee af op een fotogevoelige laag. Het plasma vertoont echter, naast de benodigde hoge opbrengst aan EUV, ook ongewenste emissie in andere golflengtegebieden en dat verstoort de correcte werking van het lithografiemachines. Verder kunnen er uit het plasma ook deeltjes vrijkomen die leiden tot degradatie van de multilaag, en kan het ontstaan van een secundair plasma leiden tot schade aan het oppervlak van de multilaagspiegels. Als onderdeel van het programma ACHieVE leveren onderzoekers van het FOM-Instituut voor Plasmafysica Rijnhuizen een bijdrage aan het karakteriseren en oplossen van de problemen die ontstaan door interacties tussen primaire en secundaire plasma’s en de reflecterende multilaagoptieken. Om de secundaire straling (voornamelijk in het UV-gebied) uit de plasmabron te onderdrukken, is het mogelijk antireflectielagen aan te brengen op de reflecterende optieken. Uit onderzoek is gebleken dat deze lagen succesvol zijn in het onderdrukken van karakteristieke lijnen uit het UV-spectrum, waarbij het verlies aan

1

2

reflectie bij 13,5 nanometer beperkt kan worden tot enkele procenten (zie figuur 1). De efficiëntie van diverse andere onderdrukkingsmechanismes (absorptie, verstrooiing, etc.) wordt momenteel verder onderzocht. De interactie tussen het secundaire plasma en het oppervlak van de multilaagspiegels wordt gekenmerkt door het ontstaan van een plasmalaag waarin laagenergetische ionen uit het plasma versneld worden naar het spiegeloppervlak. Modellering van het secundaire plasma, in combinatie met metingen van erosiesnelheden (zie figuur 2), heeft uitgewezen dat de toplaag van de eerste spiegel inderdaad langzaam zal eroderen. Om de levensduur te verlengen zijn al ideeën ontwikkeld waarmee de ionenflux en de energie verlaagd kunnen worden.

Het onderzoek maakt deel uit van ACHieVE, een Europees SenterNovem/MEDEA+-programma op het gebied van microelektronica.

Figuur 1. Reflectiviteit van een multilaagoptiek in het golflengtegebied 100-200 nm, met en zonder speciale SPE (Spectral purity enhancement) toplaag. De SPE-laag leidt tot aanzienlijke onderdrukking van ongewenste secundaire straling. Figuur 2. Erosiesnelheid van de toplaag door laagenergetische ionen bij lage (blauwe data) en hoge ionenfluxbronnen (groene data). De gestippelde lijnen zijn resultaten van twee verschillende theoretische modellen.



Rijnhuizen

ITER-NL – Een sterke Nederlandse inbreng in het internationale fusie-experiment ITER Het jaar 2007 was belangrijk voor de internationale fusiegemeenschap, met als hoogtepunt de oprichting van de ITER International Organization. Binnen Nederland is ITER-NL opgericht: een consortium van de Stichting FOM, de organisatie voor Toegepast Natuurwetenschappelijk Onderzoek (TNO) en de Nuclear Research and consultancy Group (NRG). Het ITER-NL consortium, gefinancierd door het Fonds Economische Structuurversterking (FES), heeft als belangrijke doelen het verkrijgen van een goede entreepositie voor Nederlandse wetenschappers in het internationale ITER-project, alsmede het positioneren van de nationale industrie om succesvol te zijn in het verkrijgen van opdrachten vanuit ITER. Dit nieuwe samenwerkingsverband betekent een belangrijke verbreding van het kernfusieonderzoek in Nederland, waarbij ook de relatie met en kennisoverdracht naar high-tech bedrijven flink is versterkt. Om het eerste doel te bereiken wordt – samen met verschillende andere Europese instituten – gewerkt aan de ontwikkeling van een tweetal wetenschappelijke instrumenten voor ITER. Allereerst is dat de ‘Upper Port Viewer’; een spectroscopische diagnostiek om de emissie van het plasma waar te nemen die wordt opgewekt door een bundel neutrale atomen het plasma in te sturen. Deze diagnostiek zal plaatsen tijdsopgeloste informatie gaan leveren over een groot aantal belangrijke parameters in ITER, waaronder de temperatuur, stroomsnelheden en de snelheidsverdeling van de heliumkernen die de ‘as’ van de fusiereacties vormen. Een tweede instrument betreft de ‘Upper Port Launcher’ waarmee een vermogen van tientallen megawatt aan radiofrequente golven (voor ITER 170 GHz) zeer gelokaliseerd in het plasma kan worden gedeponeerd. Eén van de belangrijkste

doelen van de launcher is het onderdrukken van instabiliteiten die kunnen optreden bij hoge plasmadruk en daardoor het rendement van de reactor verlagen. Samen met onderzoekers van TNO en de Technische Universiteit Eindhoven is gewerkt aan een ‘in-line’ feedbacksysteem, gebaseerd op het meten van de plasma-emissie in het mm-golfgebied (nabij de frequentie waarmee het plasma wordt verhit). Nederlandse wetenschappers hebben onlangs aangetoond dat dit schijnbaar onmogelijke principe uitstekend werkt: een prototype, geïnstalleerd op de tokamak TEXTOR in het Duitse Jülich (zie figuur 2), is in staat om de plasma-emissie met een vermogen van enkele nanowatt te meten met dezelfde antenne die enkele megawatts (!) het plasma in blaast in hetzelfde frequentiegebied. Hiermee wordt het mogelijk instabiliteiten actief te onderdrukken, door het ingestraalde vermogen – zowel naar intensiteit, pulsduur als precieze richting – onder feedback van het meetsignaal te brengen.

1

2

3

Figuur 1. Logo van het ITER-NL consortium van FOM, TNO en NRG. Figuur 2. Het in-line feedbacksysteem waarvan een prototype in bedrijf is genomen op de tokamak TEXTOR. Een launcher stuurt met behulp van een focusserende en een stuurbare spiegel gyrotronstraling met een vermogen van ca. 1 MW (op TEXTOR bij 140 GHz) naar een precieze locatie in het plasma, waar zich een instabiliteit bevindt (bijvoorbeeld een magnetisch eiland). Het plasma reageert op deze straling door zelf ook straling uit te zenden, in hetzelfde frequentiegebied. Frequenties net boven en onder de ingestraalde frequentie komen van posities aan weerszijden van de depositielocatie. Deze emissie met een vermogen van enkele nanowatts wordt zorgvuldig gescheiden van de ingaande gyrotronstraling, en wordt gebruikt voor feedback aan zowel de launcher als de gyrotron. Figuur 3. Het onderdrukken van een eiland in de tokamak TEXTOR. Het eiland wordt kunstmatig gecreëerd via externe excitatie. Zodra de actieve onderdrukking wordt ingeschakeld (na 2,2 seconden), neemt de grootte van het eiland snel af. Om raak te kunnen schieten, heeft de bestaande techniek nog kennis vooraf nodig over de verwachte positie en rotatiesnelheid van het eiland. Het grote voordeel van de nieuw ontwikkelde techniek is dat dit niet meer nodig is: het in real-time meten en verwerken van de respons van het eiland geeft voldoende informatie om de eilandonderdrukking te optimaliseren.



SAF/NIKHEF

BiG Grid officieel van start

Gridfaciliteiten kenden een grote populariteit in 2007. Het aantal gebruikers nam toe. Oorzaken: BiG Grid ging officieel van start in september 2007 en verschillende samenwerkingsverbanden krijgen vorm en werpen hun vruchten af (zie de volgende pagina), en, last but not least, de spanning stijgt - de LHC gaat bijna echt aan! De gebruikers komen echter niet alleen uit de exacte wetenschappen en dat is goed om te zien. Ook het aantal gebruikers in de sociale wetenschappen is groeiende door bijvoorbeeld de samenwerking met DANS (Data Archiving and Networked Services), een project van de KNAW dat als doel heeft om de archivering van en toegang tot belangrijke data in de sociale wetenschappen te verzorgen. Dit project vereist een substantiële hoeveelheid computerkracht, waarvoor gridtechnologie ontwikkeld wordt. In het kader van dit project werkt een medewerker van DANS één dag in de week bij NIKHEF aan het analyseren van middeleeuwse teksten.

Andere samenwerkingsverbanden, die tot nu toe een informeel karakter hadden, kunnen met de officiële start van BiG Grid worden geformaliseerd. BiG Grid heeft een substantiële hoeveelheid geld gereserveerd om gridprojecten die aan bepaalde criteria voldoen te financieren. De aanstaande start van de LHC zorgt voor een gezonde spanning. Lukt het om de grote hoeveelheden data straks ook echt te verwerken? De Tier-1 functie die NIKHEF heeft, richt zich op de opschaling naar deze grotere getallen: meer ruimte voor opslag en meer rekenkracht. In 2007 was er een aardige groei: ten opzichte van 2006 groeide de totale computing capaciteit met ongeveer 50%, en de opslagruimte vervijfvoudigde. Dit is goed te zien in de bijgaande figuur.

komt te distribueren via gridtechnologie. In 2008 staan enkele spannende echte tests te wachten, wanneer de situatie ‘LHC-bundel aan’ wordt gereproduceerd (de ‘Combined Computing Readiness Challenge’), en met in de herfst tenslotte de echte LHC-data die binnenkomt. Daarnaast moet de opslagruimte nog vertienvoudigd worden in 2008. Genoeg werk aan de winkel dus!

Het werk aan Big Grid bij NIKHEF wordt gefinancierd vanuit het missiebudget van het FOMInstituut voor Subatomaire Fysica NIKHEF, het

In december startte een promovendus met de ontwikkeling van een systeem om de data die uit een van de LHC-detectoren

Virtueel Laboratorium e-science (VL-e), een Veni-beurs van NWO en de Europese Commissie.

Groei in computing capaciteit en opslagruimte in 2007 in de Tier-1 bij NIKHEF.



SAF/NIKHEF

Gridtechniek uit de hoge-energiefysica krijgt toepassing in ziekenhuis

In 2007 hebben leden van de Physics Data Processing-groep van het FOM-Instituut voor Subatomaire Fysica NIKHEF een coördinerende en uitvoerende rol gespeeld in een collaboratie tussen het ARDA-project op CERN en medewerkers van het medical-imaging team (“VLEMED” - Virtual Laboratory for e-Science Medical) van het Academisch Medisch Centrum (AMC) te Amsterdam. Dit team werkt met Functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI) data; fMRI is een techniek waarbij met een reeks MRI-beelden (met tientallen beelden per minuut) een soort film gemaakt kan worden van bijvoorbeeld de hersenactiviteit. De techniek genereert grote hoeveelheden data, waarbij datagridtechnieken, vergelijkbaar met die van de hoge-energiefysica, toepasbaar zijn.

Het ARDA-project op CERN heeft de “experiment dashboard” ontworpen. Met gridtechnieken heeft een onderzoeker al snel duizenden rekentaken gelanceerd, verspreid over verschillende rekencentra. De dashboard verzamelt de statusinformatie van al die berekeningen, zodat de onderzoeker daar een visueel overzicht van heeft. Door te klikken op de naam van een rekencentrum of cluster ziet de onderzoeker een overzicht van alle jobs die daar uitgevoerd zijn, en wat de status is/was van de berekeningen. Het NIKHEF heeft in samenwerking met ARDA een dashboardserver op het NIKHEF geïnstalleerd. Dit was de eerste dashboard die geen relatie had met een LHC-experiment, en ook de eerste dashboardserver

Een blik zoals een gebruiker die heeft van de informatie op een dashboardserver.


buiten CERN. NIKHEF heeft deze server ter beschikking gesteld aan het fMRI-team. Deze werd zeer positief ontvangen; volgend jaar brengt het ARDA-team een bezoek aan de Science Park om het “VLEMED Dashboard” verder uit te breiden naar wens van het VLEMED-team.

Het werk is mede gefinancierd vanuit het Virtueel laboratorium e-science (VL-e) en CERN.

h3 FOM in feiten en cijfers Hoofdstuk 3

121

Hoofdstuk 3

Organisatie

52 Vrije FOMprogramma’s in de subgebieden 12 programma’s in de Industrial Partnership Programmes

Organisatieschema FOM naar geldstromen

Raad van Bestuur

Uitvoerend Bestuur

prof.dr. R.P. Griessen, voorzitter (VU) prof.dr. C.W.J. Beenakker, vice-voorzitter (LEI) prof.dr. E.J. Baerends (VU) drs. J.A. van den Bandt-Stel (VNO-NCW) dr. C.M. Colijn-Hooymans (TNO) prof.dr. C. Dekker (TUDelft) prof.dr. R.H. Dijkgraaf (UvA) prof.dr. J.J. Engelen (CERN) prof.dr.ir. M. Geers (TU/e) prof.dr.ir. E. van der Giessen (RuG) prof.dr. R.J. Hamer (WUR) dr. H.A. Harwig (Philips) dr. A.B.M. Hoff (ECN) prof.dr. S.J. de Jong (RU) dr.ir. J.G.H. Joosten (DSM) prof.dr. J. Knoester (RuG) prof.dr. H.N.W. Lekkerkerker (UU) prof.dr. D. Lohse (UT) prof.dr.ir. J.C. Maan (RU) Prof dr. G.J.M. Meijer (MPG) prof.dr. G.T. Robillard (RuG) prof.dr. R.R. Weynants (KMS) prof.dr. I.T. Young (TUDelft)

prof.dr. R.P. Griessen, voorzitter prof.dr. C.W.J. Beenakker, vice-voorzitter prof.dr. R.H. Dijkgraaf prof.dr. D. Lohse

122 FOM in feiten en cijfers

Directeur dr. K.H. Chang

Samenstelling per 31 december 2007.

Voor vier subgebieden heeft het Uitvoerend Bestuur van FOM Werkgemeenschapscommissies ingesteld. Deze fungeren als adviescommissies van het bestuur. De commissies spelen tevens een rol in de bewaking van de voortgang van lopende FOM-programma's. Daarnaast heeft het bestuur een speciale adviescommissie op het terrein van energieonderzoek ingesteld. De samenstelling van de commissies was per 31 december 2007 als volgt:

Werkgemeenschapscommissie Nanofysica/technologie (NANO) prof.dr.ing. D.H.A. Blank (voorzitter, UT) prof.dr. A. Polman (AMOLF) prof.dr. R. Coehoorn (Philips/TU/e) prof.dr. J. Knoester (RuG) prof.dr. Th.H.M. Rasing (RU) prof.dr. J.M. van Ruitenbeek (LEI) prof.dr. H.W.M. Salemink (TUDelft/TU/e) prof.dr. B.J. van Wees (RuG) prof.dr.ir. J. Westerweel (TUDelft) en dr. M. Zachariasse (secretaris).

Werkgemeenschapscommissie Gecondenseerde materie en optische fysica (COMOP) prof.dr.ir. J.C. Maan (voorzitter, RU) prof.dr. H.J. Bakker (AMOLF) prof.dr. A. van Blaaderen (UU) prof.dr. G.W. ’t Hooft (Philips) prof.dr. P. Rudolf (RuG) prof.dr. B.J. Thijsse (TUDelft) prof.dr. M.J. van der Wiel (TU/e) en dr. M.R. de Graef (secretaris).

Werkgemeenschapscommissie Fysica van levensprocessen (FL) prof.dr. T.J. Aartsma (voorzitter, LEI) prof.dr. C. Dekker (TUDelft) prof.dr. R. van Driel (UvA) prof.dr. R. Kanaar (EUR) prof.dr. E. van der Linden (WUR) prof.dr. B.M. Mulder (AMOLF) prof.dr.ir. M.W.J. Prins (Philips Research Laboratories) prof.dr. V. Subramaniam (UT) en dr.ir. C.L.A. Hooijer (secretaris).

Werkgemeenschapscommissie Fenomenologische fysica (FeF) dr. M.P.A. Viegers (voorzitter, Philips-CFT) prof.dr.ir. J.J.M. Braat (TUDelft) prof.dr.ir. E. van der Giessen (RuG) prof.dr.ir. G.J.F. van Heijst (TU/e) prof.dr. D. Lohse (UT) ir. H. Reinten (Océ-Technologies BV) prof.dr.ir. M.C.M. van de Sanden (TU/e) ir. F. Simonis (TNO-TPD) prof.dr. M.J.J. Vrakking (AMOLF) en dr. L.R. Kouw (secretaris).


Hoofdstuk 3

Speciale commissie voor het energieonderzoek in FOM (SCEF) prof.dr. A.W. Kleyn (voorzitter, FOM-Instituut voor Plasmafysica Rijnhuizen/LEI) dr.ir. M.J. Groeneveld (UT) prof.dr. R. van Grondelle (VU) prof.dr.ir. T.H.J.J. van der Hagen (TUDelft) prof.dr. W.C. Turkenburg (UU) prof.dr. H.J. Veringa (ECN/UT) en dr. L.R. Kouw (secretaris).

KVI ( i.s.m. RuG )

Organisatieschema FOM naar organisatie-eenheden

RU TUD


FOM-Instituut voor Subatomaire Fysica NIKHEF Missie De missie van het FOM-Instituut voor Subatomaire Fysica NIKHEF is onderzoek doen naar de interacties en structuur van de elementaire deeltjes en de krachten die er zijn op de kleinste schalen en met de hoogst haalbare energieën. Daarbij worden de resultaten van dit onderzoek op een kwalitatieve en voor zover mogelijk ook kwantitatieve manier teruggekoppeld naar de krachtige processen die in het vroege heelal plaatsvonden, 13,7 miljard jaar geleden. Twee elkaar aanvullende methoden worden hiervoor gebruikt:

• versnellerfysica; experimenten waarbij de interacties worden bestudeerd bij botsingen van deeltjes in deeltjesversnellers, met name op CERN; • astrodeeltjesfysica; experimenten waarbij interacties met de aarde worden bestudeerd van deeltjes en straling afkomstig uit het heelal.

www.nikhef.nl

Het Samenwerkingsverband Nikhef coördineert en leidt alle Nederlandse experimentele onderzoeksactiviteiten op dit gebied. Directeur: prof.dr. F.L. Linde

Kengetallen Input Mensen (in gerealiseerde fte) wetenschappelijk personeel vast wetenschappelijk personeel tijdelijk: oio’s postdocs overig personeel vast overig personeel tijdelijk Financiën totaal activiteitenniveau (in miljoen euro) Output proefschriften overige wetenschappelijke publicaties overige producten van wetenschappelijke activiteit vakpublicaties

36,13 37,67 15,45 87,83 7,76 16,72

11 224 69 9


Hoofdstuk 3

FOM-Instituut voor Plasmafysica Rijnhuizen Missie Het onderzoek in het FOM-Instituut voor Plasmafysica Rijnhuizen richt zich op fusiefysica, het opwekken en gebruiken van terahertzstraling, en oppervlakte- en grenslaagfysica van nanolagen. Rijnhuizen is de nationale thuisbasis voor fusieonderzoek en exploiteert de vrije-elektronenlaser FELIX, een internationale gebruikersfaciliteit. Verder ontwikkelt het instituut geavanceerde multilaagsoptica voor extreem-ultraviolet ten behoeve van de computerchipindustrie. Directeur: prof.dr. A.W. Keyn



24,25 18,82 7,93 71,92 13,57 16,82

7 136 163 61

www.rijnhuizen.nl

FOM-Instituut voor Atoom- en Molecuulfysica Missie De missie van het FOM-Instituut voor Atoom- en Molecuulfysica (AMOLF) is het doen van toonaangevend fundamenteel onderzoek aan strategisch belangrijke complexe atoomen molecuulsystemen met essentiële potentie voor technologische innovaties, en het overdragen van kennis naar de industrie en de samenleving. Het onderzoek van AMOLF richt zich op twee hoofdthema’s: • natuurkunde van biomoleculaire systemen, met daarbinnen de subthema’s biomoleculaire dynamica en interac-

ties, supramoleculaire structuren en actieve biomaterialen, en spatio-temporaal ontwerp van biomoleculaire netwerken; • nanofotonica, met daarbinnen de subthema’s fotonische en plasmonische lichtbronnen, dispersiecontrole en nanoschaal opsluiting van licht, en fotonische geïntegreerde circuits. Naast deze twee hoofdprogramma’s voert AMOLF een klein Exploratief Onderzoeksprogramma uit, waarin nieuwe wetenschappelijke onderzoeksrichtingen worden geïnitieerd.

www.amolf.nl

Directeur: prof.dr. A. Polman


17,35 51,14 30,83 54,36 9,76 19,98

8 155 368 60


Hoofdstuk 3

Kernfysisch Versneller Instituut Missie De missie van het Kernfysisch Versneller Instituut (KVI) is het verrichten van innovatief en grensverleggend onderzoek van hoge kwaliteit in de fundamentele en toegepaste subatomaire en atoomfysica in ruime zin en het opleiden van studenten, promovendi en postdocs in een internationale omgeving ter voorbereiding op een loopbaan in de industrie en de academische wereld. Het KVI exploiteert het AGOR-cyclotron, ten behoeve van eigen experimenten en gebruik door onderzoekers van elders. Ook gebruiken KVI-medewerkers grootschalige faciliteiten elders in Europees verband. Een majeur nieuw programma voor de komende jaren is TRIμP. Het KVI stimuleert interdisciplinaire velden van onderzoek en neemt er actief in deel, binnen én buiten het KVI. Zo zijn er recent nieuwe onderzoekslijnen opgezet op het gebied van de astrodeeltjesfysica

www.kvi.nl

en de fysica van leven. Het KVI doet verder toepassingsgeoriënteerd onderzoek samen met de industrie, bedrijven en de publieke sector. Het KVI is een samenwerkingsverband van de Rijksuniversiteit Groningen (RuG) en FOM. Het grootste deel van het personeel van het KVI is in dienst van de RuG. De kengetallen hebben betrekking op het FOM-personeel in het instituut. Directeur: prof.dr. M.N. Harakeh

Kengetallen Input Personeel (in gerealiseerde fte) wetenschappelijk personeel vast wetenschappelijk personeel tijdelijk: oio’s postdocs overig personeel vast overig personeel tijdelijk Financiën totaal activiteitenniveau (in miljoen euro) Output proefschriften overige wetenschappelijke publicaties overige producten van wetenschappelijke activiteit vakpublicaties


3,00 10,63 0,42 9,83 0,33 1,89

4 54 70 2

Beheerseenheid Universitaire Werkgroepen

Hieronder vallen alle 164 FOM-werkgroepen die in universitaire gebouwen zijn gehuisvest. Hoofd: drs. H.G. van Vuren

Kengetallen Input Personeel (in gerealiseerde fte) wetenschappelijk personeel vast wetenschappelijk personeel tijdelijk: oio’s postdocs overig personeel vast overig personeel tijdelijk Financiën totaal activiteitenniveau (in miljoen euro) Output proefschriften overige wetenschappelijke publicaties overige producten van wetenschappelijke activiteit vakpublicaties

8,47 214,59 54,04 6,59 4,76

www.fom.nl

20,31

67 662 850 41

Managementteam FOM en de instituutsdirecteuren. Van links naar rechts Mark Brocken (hoofd Financiële Zaken), Renée-Andrée Koornstra (hoofd Centrale Personeelsdienst), Aart Kleyn (directeur Rijnhuizen), Muhsin Harakeh (directeur KVI), Frank Linde (directeur SAF/NIKHEF), Hendrik van Vuren (hoofd Onderzoekbeleid en hoofd BUW), Albert Polman (directeur AMOLF) en Hans Chang (directeur FOM).


Hoofdstuk 3

Financiën

BALANS PER 31 DECEMBER 2007

ACTIVA

31-12-2007 kb

31-12-2006 kb

VASTE ACTIVA Materiële vaste activa Terreinen Gebouwen Installaties en apparatuur Computerapparatuur Kantoormeubilair Transportmiddelen

115 17.789 2.518 803 514 11

115 13.549 2.281 767 597 16 21.750

Financiële vaste activa Deelneming C.V. tot exploitatie van de internationale magneetfaciliteit Depot voor pensioengelden

31 4.800

17.325

102 4.915 4.831

5.017

372

350

VLOTTENDE ACTIVA Voorraden Vorderingen op korte termijn Debiteuren Nog te ontvangen en vooruitbetaalde posten

3.604 14.022

3.294 12.484 17.626

15.778

Liquide middelen

51.509

30.244

TOTAAL ACTIVA

96.088

68.714


BALANS PER 31 DECEMBER 2007

PASSIVA

EIGEN VERMOGEN Stichtingskapitaal Algemene reserve, onbestemd Algemene reserve, bestemd Bestemde reserves Bestemde fondsen

31-12-2007 kb

(5.721) 24.928 27.625 9.824

31-12-2006 kb

(7.637) 20.858 20.033 12.349 56.656

VOORZIENINGEN Pensioenverplichtingen Reorganisatieverplichtingen Werkloosheidsuitkeringen Jubileumuitkeringen

2.690 76 140 544

LANGLOPENDE SCHULDEN Lening nieuwbouw AMOLF

KORTLOPENDE SCHULDEN Crediteuren Nog te betalen en vooruitontvangen posten Voor derden beheerde gelden

TOTAAL PASSIVA

45.603

3.172 93 162 530 3.450

3.957

17.045

-

1.768 16.722 447

795 17.181 1.178 18.937

19.154

96.088

68.714

De cijfers op de pagina's 130 - 132 zijn ontleend aan de jaarrekening 2007 van de Stichting FOM, opgenomen in hoofdstukken II tot en met V van het financieel jaarverslag 2007. De jaarrekening is gecontroleerd door Blömer, accountants en adviseurs te Nieuwegein en is voorzien van een goedkeurende accountantsverklaring.


Hoofdstuk 3

STAAT VAN BATEN EN LASTEN 2007 BATEN Baten voor operationele bedrijfsvoering NWO NWO-subsidies derdencontracten (-gelieerde organisaties) Bedrijven Euratom Europese Unie Universiteiten Ministerie van Economische Zaken Ministerie van Onderwijs, Cultuur en Wetenschap Diverse overige baten

2007 kb

2006 kb

68.294 3.452 5.799 2.679 1.905 2.683 510 608

72.484 2.645 6.032 1.603 2.382 2.633 321 75 389

BATEN voor operationele bedrijfsvoering Financiële baten TOTAAL BATEN

LASTEN Lasten uit operationele bedrijfsvoering Vrije Programma’s Industrial Partnership Programmes Missiebudgetten

88.564

2.238

1.095

88.168

89.659

2007 kb

2006 kb

22.745 4.220 24.084

24.851 4.791 20.776

Totaal programma’s Projectruimte Andere activiteiten Algemene kosten van de organisatie

85.930

51.049 6.535 20.184 3.996

50.418 7.473 15.366 3.738

Totaal activiteiten

81.764

76.995

Balansmutaties

(5.182)

8.329

LASTEN uit operationele bedrijfsvoering

76.582

85.324

533

13

77.115

85.337

Financiële lasten TOTAAL LASTEN

RESULTAAT uit operationele bedrijfsvoering RESULTAAT uit financieel beheer

9.348 1.705

TOTAAL RESULTAAT

Bestemming resultaat: Mutatie algemene reserve, onbestemd Mutatie algemene reserve, bestemd Mutatie bestemde reserves Mutatie bestemde fondsen Totaal resultaat


3.240 1.082 11.053

1.916 4.070 7.592 (2.525)

4.322

3.389 (8.612) 3.269 6.276 11.053

4.322

2006

Verdeling van de financiële middelen voor exploitatie en investeringen in 2006 en 2007. De bedragen zijn in miljoenen euro’s.

50,4

FOM-programma’s

FOM-projectruimte

7,5

FOM-projectruimte

6,5

Andere activiteiten

15,4

Andere activiteiten

20,2

Algemene kosten

3,7

Algemene kosten

van de organisatie

51,0

4,0

van de organisatie

100

80

miljoen euro

Ontwikkeling van totaal activiteiten voor exploitatie en investeringen bij FOM over de jaren 2003-2007. De gelden bestaan uit een NWO-deel dat voornamelijk op grond van intern FOM-beleid over programma’s, projecten en andere activiteiten naar de verschillende organisatieonderdelen wordt toebedeeld; de rest wordt extern op basis van concrete activiteiten verdiend en is daarom geoormerkt. Het niet-NWO-deel bevat inkomsten als bijdragen uit samenwerking met universiteiten, bedrijven en andere partners, bijdragen van de Technologiestichting STW, van NWO gekoppeld aan contracten met derden, van EURATOM, bijdragen rechtstreeks van de overheid en rente-inkomsten. De bedragen zijn in lopende prijzen, dat wil zeggen niet gecorrigeerd voor geldontwaarding.

2007

FOM-programma’s

60

40

20

2003

2004

2005

2006

2007

Baten NWO-deel


Hoofdstuk 3

Prestatie-indicatoren

De tabellen op deze pagina’s geven een indicatie van input in mensen en geld en output in termen van wetenschappelijke producten bij FOM. Het personeelsbestand bij FOM varieert voornamelijk als gevolg van schommelingen in toegekend jaarbudget en in uitvoering genomen onderzoek. Vooral bij het tijdelijke wetenschap-

pelijke personeel (oio’s en postdocs) leidt dit tot golfbewegingen in zaken als gerealiseerde bezetting, aantallen proefschriften en uitstroom. Wetenschappelijke productie ijlt altijd na op de personele bezetting, waardoor pieken in bezetting en output nooit samenvallen.

Gerealiseerde bezetting bij FOM in 2007 organisatie-eenheid

WP/V

WP/T

oio

TP/V

TP/T

OP/V

OP/T

totaal

SAF/NIKHEF

36,13

15,45

37,67

65,47

6,50

22,36

1,26

184,84

3,00

0,42

10,63

9,83

0,33

0

0

24,21

Rijnhuizen

24,25

7,93

18,82

52,73

11,63

19,18

1,94

136,48

AMOLF

17,35

30,83

51,14

383,44

7,00

15,92

2,76

163,44

8,47

54,04

214,59

6,59

4,76

0

0

288,45

0

0,15

0

0

0

44,52

2,00

46,67

89,20

108,81

332,85

173,06

30,22

101,98

7,97

844,08

KVI

BUW FOM-bureau

totaal

noot: getallen in fte; in de getallen zitten afrondingsverschillen WP/V WP/T oio TP/V TP/T OP/V OP/T

vast wetenschappelijk personeel tijdelijk wetenschappelijk personeel (voornamelijk postdocs) onderzoeker-in-opleiding vast technisch personeel tijdelijk technisch personeel vast ondersteunend personeel tijdelijk ondersteunend personeel

Bron: alle getallen op pagina 134-136 zijn ontleend aan hoofdstuk 1 van dit Jaarboek, het Sociaal Jaarverslag FOM 2007 danwel het Financieel Jaarverslag FOM 2007.


Gerealiseerde bezetting bij FOM in meerjarig perspectief

gerealiseerde bezetting (in fte)

2003

2004

2005

2006

2007

1099,33

1073,35

1024,38

947,68

844,08

FOM-budget op activiteitenniveau in meerjarig perspectief

in miljoen euro

2003

2004

2005

2006

2007

91,8

84,3

85,4

77,0

81,8

Wetenschappelijke output in 2007 organisatie-eenheid

SAF/NIKHEF KVI Rijnhuizen AMOLF BUW

proefschriften

overige wetenschappelijke publicaties

overige producten van wetenschappelijke activiteit

vakpublicaties

11 4 7 8 67

224 54 136 155 662

69 70 163 368 850

9 2 61 60 41

Wetenschappelijke output FOM-totaal* in meerjarig perspectief Soort product

2003

2004

2005

2006

2007

Proefschriften Wetenschappelijke publicaties Voordrachten op uitnodiging Conferentiebijdragen

70 1119 778 1762

83 1230 889 2010

86 1341 1016 1910

100 1158 784 2031

97 1156 694 1507

* gecorrigeerd op dubbeltellingen


Hoofdstuk 3

Uitstroom gepromoveerden en eerste baan na FOM in meerjarig perspectief Uitstroomjaar

2002

2003

2004

2005

2006

totaal

84

80

95

104

120

baan Nederland daarvan bedrijfsleven

46 11

36 12

43 14

45 21

63 36

baan in EER+

16

16

17

25

26

9

5

8

8

9

13

23

27

26

22

baan buiten EER+ overige

noten: 1. het kost enige tijd om de gegevens te verzamelen; daarom is aan het eind van het verslagjaar de informatie over dat jaar nog niet compleet en 2006 het laatste jaar in deze tabel 2. van de personen in de categorie ‘overige’ zijn geen gegevens bekend (het overgrote deel) of ze hadden op de peildatum (31-12-2007) geen baan; sinds 2000 is het aantal personen over wie geen nadere informatie beschikbaar is, relatief groot 3. EER+ staat voor de Europese Unie plus Zwitserland

Soort eerste werkgever van gepromoveerden over de periode 2002-2006

FOM in 2007 FOM-totaal op activiteitenniveau 2007

Nederlands bedrijfsleven Nederlandse universiteiten en onderzoeksinstellingen overige werkgevers in Nederland werkgevers in EER+ werkgevers buiten EER+ anders/niet bekend

94 135 4 100 39 111

totaal

81,8

FOM-medewerkers op 31-12-2007 totaal daarvan oio’s en postdocs

873 321 111

FOM-output in 2007 proefschriften wetenschappelijke artikelen voordrachten op uitnodiging


97 1156 694

miljoen euro

Interview

Een soort quantumingenieur Lieven Vandersypen (35), Antoni van Leeuwenhoek-hoogleraar aan de Technische Universiteit Delft, leider van het FOM-programma “Graphene-based electronics”,

publicaties in Science en Nature, ontvanger van een subsidie van de European Research Council, lid van De Jonge Akademie van de KNAW

´In mij zit de drang om dingen in de greep te krijgen, te bouwen. Ik ben dan ook begonnen als werktuigbouwkundige, vond natuurkunde toen te veel in de wolken. Maar in Leuven, waar ik studeerde, moest je verplicht colleges quantummechanica volgen. Ik was er meteen door gegrepen. Nog steeds is het heel bijzonder en motiverend om in een veld te werken dat de klassieke wetten van de natuurkunde op zijn kop zet. En toch doe ik ook nu heel concrete dingen. Ik wil die spin van een elektron kunnen ‘vastpakken’, ronddraaien, uitlezen. Eigenlijk ben ik een soort quantumingenieur. Tijdens mijn promotie in Stanford slaagden we erin met quantummechanica het getal 15 te ontbinden in de factoren 5 en 3. Op zich een simpele berekening, maar wel de meest complexe die ooit gemaakt was met een soort - belachelijk kleine - quantumcomputer. Een echte, bruikbare quantumcomputer is een van de mogelijke toepassingen van het onderzoek dat wij ook nu doen in Delft. Maar stiekem hoop ik op heel andere, onverwachte spin-offs. Zoals fundamenteel onderzoek aan laserstralen heeft geleid tot de cd-speler of oogchirurgie, zo zou ook de quantummechanica

nog verrassende toepassingen in petto kunnen hebben. Ik denk dat mijn generatie ambitieus en ongeduldig is, en sterk internationaal gericht. We nemen bijvoorbeeld geen genoegen met het pyramidale leerstoelmodel dat soms nog bestaat aan de Nederlandse universiteiten. We eisen de ruimte, en krijgen die ook steeds meer. Zelf zal ik steeds proberen de pyramide waarin ik zit – of dat nu aan de top is of onderaan - af te vlakken. Een platte structuur werkt veel stimulerender. Een goede sfeer, interessante dingen doen in een bruisend onderzoeksklimaat met pittige discussies waar nieuwe ideeën uitkomen, dát vind ik belangrijk, daar leef je echt van op. Ik heb altijd ook meer maatschappelijk dingen gedaan. Op de middelbare school al nodigden we politici uit om te komen praten. Ze kwamen altijd. Tijdens mijn studie was ik actief in Student Aid: we lichtten studenten voor over de DerdeWereldpolitiek. Een jaar geleden heb ik mij gemeld bij Amnesty International hier in Delft. En ik ben mede-oprichter van een Bachkoor. Het bevalt me wel om naast de

30 I n t e r m e z z o • I n t e r v i e w m e t L i e v e n Va n d e r s y p e n

wetenschap andere dingen te doen. Als ik mij niet engageer ga ik alleen maar nóg meer werken. En dat is niet leuk en niet gezond. Een rolmodel voor mij is Steven Chu, omdat hij een eminente wetenschapper en Nobelprijswinnaar is die toch ook met andere dingen is begaan. Op het hoogste politieke niveau praat hij met wereldleiders over het energieprobleem. Een beetje gezond verstand brengen, wat soms wel nodig is daar. In de toekomst kan ik mij voorstellen dat ik me op een heel ander onderzoeksterrein begeef, misschien wel de celbiologie. Een startup met een toepassing van de fysica die ik nu doe, zou ook kunnen. Dat lijkt me wel dynamisch. Voorzitter van Amnesty International? Ik ben bang dat ik daarin te weinig intellectuele uitdaging vind. Een combinatie van wetenschap en beleid, à la Steven Chu, lijkt mij erg aantrekkelijk. Misschien een minister advies geven op grond van wetenschappelijke inzichten.’

Rijzende sterren

FOTO: NOUT STEENKAMP / FMAX

Ze zijn tussen de dertig en de veertig en ze trappelen van ongeduld. Ze hebben hun eerste sporen verdiend door succesvol onderzoek, prestigieuze benoemingen en omvangrijke subsidies. Over tien jaar zetten zij misschien de toon in de fysica. Wat drijft deze toppers van morgen? Waarin verschillen ze van generaties voor hen en wie zijn hun voorbeelden? Verspreid door dit jaarboek vindt u nu eens niet de vertrouwde coryfeeën, maar een serie portretten van de rijzende sterren van 2007.

Een combinatie van wetenschap en beleid, à la Steven Chu, lijkt mij erg aantrekkelijk 31 I n t e r m e z z o • I n t e r v i e w m e t L i e v e n Va n d e r s y p e n

Interview

Ons speelveld is de hele wereld

Nynke Dekker (36), universitair hoofddocent biofysica aan de Technische Universiteit Delft, cum laude afgestudeerd, ontvanger van FOM/v-subsidie, Marie Curie fellowship (EU), Talent-stipendium en Vidi-subsidie (NWO), winnares van een European Young Investigator’s Award, publicaties in Nature

‘Als je heel goed kijkt naar een rijdende auto, betekent dat nog niet dat je ook weet hoe hij werkt. Daarvoor moet je onder de motorkap kijken. Dat is metaforisch gesproken wat de biofysica bijdraagt tot de celbiologie. We inventariseren niet alleen de interacties tussen de moleculen in de cellen, maar we zoeken ook uit waaróm en hoe ze met elkaar reageren. Hoe beter je die interactie begrijpt, hoe preciezer je geneesmiddelen kunt maken die schadelijke interacties tussen cellen stopt, zonder bijwerkingen. Dat is de droom. Deze ingenieursachtige benadering van levende cellen, waarin biologen, fysici, informatici en chemici nauw met elkaar samenwerken, is nog maar zo’n vijftien jaar oud. Het terrein is nieuw en onvoorspelbaar, dat is wat me erin aantrekt. Als je ergens twaalf uur per dag mee bezig bent is het wel fijn als het geen routineklus is. Anders houd je dat niet vol. Nieuwe dingen verzinnen en projecten opzetten vind ik het meest boeiende van mijn werk. Maar wetenschap is niet alleen ideeën. Het is soms ook “klussen”: problemen oplossen met installaties die niet werken, een stap terug doen terwijl je

eigenlijk vooruit wilt. Een goede onderzoeker moet eindeloos veel geduld hebben, of in ieder geval aanleren. Wij doen dingen altijd voor het eerst. Dus moeten we ertegen kunnen als alles niet direct lukt en heel secuur zijn, om de kans op succes zo groot mogelijk te maken. Hoe het was om twee keer de cover van Nature te halen? Ach, dat is leuk omdat een plaatje veel zegt en omdat het dingen makkelijker maakt: fondsen werven, contacten leggen, goede mensen aantrekken. Je werkt minder in een isolement. Maar het belang van zo’n publicatie wordt gemakkelijk overdreven. Ik ben trots op iedere publicatie, maar de enigen die mijn werk echt op waarde kunnen schatten zijn collega’s. Zelfs mijn familie krijgt een soort waas voor de ogen als ik over mijn werk vertel. Wat wij doen is nu eenmaal tamelijk abstract en zal dat ook nog wel een tijdje blijven. Het is net zo nuttig als bijvoorbeeld het werk van een arts, maar de toepassingen liggen veel verder in de toekomst en zijn minder evident. Ik ervaar het niet als een handicap om een vrouw te zijn in een mannenwereld. Ik denk ook dat de lastigste momenten op

32 Intermezzo • Interview met Nynke Dekker

dat vlak meer aan het begin van een studie komen, wanneer je altijd een van de zeer weinige vrouwen bent en natuurlijk nog geen gevestigde reputatie hebt. Of misschien liggen de lastigste momenten nog wel vroeger. Op de middelbare school is de culturele druk waaraan bètameisjes weerstand moeten bieden op de een of andere manier heel groot. Leraren kunnen dan een belangrijke rol spelen, door je aan te moedigen. Ik denk dat mijn generatie vergeleken bij oudere fysici meer multidisciplinair werkt en ook internationaler georiënteerd is. Ons speelveld is de hele wereld. Overal zitten je concurrenten, overal werf je medewerkers, overal ga je naar congressen en de collega’s met wie je samenwerkt zijn bijna allemaal buitenlanders. Dat was vroeger in principe ook wel zo, maar noodgedwongen minder intensief. Sinds we internet en e-mail hebben is de communicatie veel gemakkelijker geworden en iedereen slechts een muisklik ver.’


Wij doen dingen altijd voor het eerst

33 Intermezzo • Interview met Nynke Dekker

Interview

Benieuwd hoe het afloopt Wim Koppers (38), leider van het Magnum-PSI-project van FOM-EURATOM op het FOM-Instituut voor Plasmafysica Rijnhuizen, houder van 16 patenten op het gebied van de optische recording bij voormalige werkgever Philips

‘Als je ziet hoe onuitputtelijk en schoon kernfusie is in vergelijking met andere energiebronnen, dan denk ik zeker dat het een goede optie is als bron van duurzame energie. We moeten misschien nog even wachten voordat fusie-energie commercieel gewonnen kan worden, maar ik zie wel een heel goede kans dat dit gaat lukken. In Europa zijn we voorloper op het gebied van kernfusie en dat willen we ook blijven. De Magnum-PSI die wij hier aan het bouwen zijn is een vernuftige plasmagenerator. Plasma-onderzoekers van over de hele wereld kunnen straks naar Rijnhuizen komen om de interactie te onderzoeken tussen het gloeiend hete plasma en de wand van de toekomstige fusiereactor. Bij de reactoren die nu in gebruik zijn raakt de wand snel beschadigd. Die schade willen we bij de nieuwe fusiereactor ITER, die voor 2016 gepland is in het Franse Cardarache, in de hand kunnen houden. Iedereen is heel blij dat er een mogelijkheid komt om nu al met de wand te experimenteren.

Al tijdens mijn promotie bij AMOLF kreeg ik er plezier in om mensen te motiveren en te zorgen dat een project ergens naartoe ging. Ik stuur nu een team van dertig mensen aan. De sfeer is goed, iedereen is oplossingsgericht bezig. Er gebeuren altijd onverwachte dingen natuurlijk, maar dat is ook een deel van de lol. Voor mij is het belangrijk dat mijn werk de samenleving verder brengt. Bij Philips ontwikkelde ik een tastbaar product - een nieuw type dvd - waar consumenten echt blij mee zijn. Nu hoop ik bij te dragen aan de oplossing van het energieprobleem. Dat is een prachtig doel. Het wordt een spannende tijd en ik ben gewoon heel benieuwd hoe het afloopt.

toegezien op een nuttige besteding van het geld van de belastingbetaler. Al moet er natuurlijk wel een aantal briljante wetenschappers overblijven die volledig vrij zijn.

Vergeleken bij vroeger is het onderzoek geprofessionaliseerd. Vijftig jaar geleden gaf je een knappe kop een zak geld en die mocht daar dan iets moois mee doen. Als er iets heel anders uit kwam dan verwacht, was dat niet erg. Tegenwoordig vraagt de maatschappij zich eerst af op welke vragen ze een antwoord wil. En dringt vervolgens aan op efficiëntie en effectiviteit. Ik vind het goed dat er wordt

Een inspirerend voorbeeld vind ik Bill Clinton in zijn beginjaren als president. Hij straalde uit: wij gaan de problemen aanpakken. Hij kon goed luisteren en bruggen bouwen en in het begin is het hem ook echt gelukt om dingen vlot te trekken die al een hele tijd vastzaten. Maar vooral ook bewonder ik zijn ontspannen, optimistische stijl. Inderdaad, een soort superprojectleider.’

84 Intermezzo • Interview met Wim Koppers

Het onderzoek is nu ook meer gedemocratiseerd. Er is niet meer één loner aan de top die op autonome wijze een heel onderzoeksterrein bestuurt. In het huidige onderzoek zijn veel meer disciplines betrokken dan vroeger en het draait vooral om samenwerken. Het team zet de toon. We beseffen dat goede ideeën niet alleen boven in de hiërarchie ontstaan en vinden het effectiever om mensen op alle niveaus vrijheid en verantwoordelijkheid te geven.


Het team zet de toon

85 Intermezzo • Interview met Wim Koppers

Keihard denken

Interview

Jaime Gómez Rivas (36), leider van de AMOLF-groep op de High Tech Campus van Philips, Marie Curie fellowship (EU), gaf het Industrial Partnership Programme “Microphotonic Light Sources” vorm

‘Als Spaanse sterrenkundige ben ik in de Nederlandse fotonica beland door een combinatie van keuzes die ik gemaakt en kansen die ik gegrepen heb. Ik vind fotonica een mooi vakgebied. In een optisch lab zie je tenminste wat je doet. Dat is leuker dan bijvoorbeeld werken met lage-temperatuurfysica, waarmee je monsters in een cryostaat verstopt zitten. En het is een jong en veelbelovend terrein. De nanofotonica zit nu in dezelfde fase als de microelektronica vijftig jaar geleden. We werken aan de fundamenten; er kan nog van alles gebeuren. Ik ben door AMOLF aangetrokken om een onderzoeksgroep op te zetten bij Philips. De groep moest een brug slaan tussen fundamentele fysica en industriële toepassing daarvan. Maar hoe, dat lag nog behoorlijk open. Ik begon letterlijk vanuit het niets. Ik had geen lab, geen concreet project, geen witte Philipsbadge, maar een blauwe gastenbadge… Niemand zat op mij te wachten. Een half jaar lang heb ik eigenlijk alleen maar met mensen gepraat. Geprobeerd vertrouwen te winnen en gepeild waar de interesse lag.

Nu zijn we drie jaar verder. Wij zitten bij Philips met een groep van vijf mensen in ons eigen laboratorium en hoewel we continu moeten blijven werken aan draagvlak, zijn we hier goed ingebed. We hebben zelfs al enkele gezamenlijke patenten aangevraagd en werken samen met een grote groep Philipsonderzoekers. Er zijn twee onderzoekslijnen gedefinieerd: fotonica van nanodraden en plasmonica. Dat laatste gaat over de interactie tussen licht en metalen. Dit is een prachtige kans om mogelijke toepassingen te verkennen. Ik zou het geweldig vinden als Philips straks een paar van zijn eigen mensen inzet om onze inzichten tot een concreet product te maken: een betere lamp, een betere laser of een betere biosensor. Ik kan er genoegen mee nemen dat je als wetenschapper niet zo heel veel verdient. Belangrijker voor mij is de erkenning door vakgenoten. Je moet als wetenschapper heel erg creatief zijn, keihard denken. Je beloning is de erkenning van die creativiteit. Dat publicaties geciteerd worden omdat iemand denkt, hé zo had ik er nog niet tegenaan gekeken. Dat je wordt uitgenodigd voor conferenties omdat iemand

86 Intermezzo • Interview met Jaime Gómez Rivas

benieuwd is naar wat je te vertellen hebt. Dan voel je je goed. Ik ben dus een echte wetenschapper, maar ik zou ook weer niet in een grijs hoekje iets willen doen wat alleen voor een kleine groep collega’s interessant is. Het moet wel van belang zijn voor de maatschappij. Dus als nanofotonica achterhaald raakt omdat een andere technologie beter blijkt, dan ga ik iets anders doen. Maar dat zie ik nog niet gebeuren hoor; het zou me niet verbazen als ik in de nanofotonica met pensioen ga. Een inspirator voor mij was mijn natuurkundeleraar op school. Een serieus persoon die de lat hoog legde. Hij motiveerde mij om erg mijn best te doen en zo te ontdekken hoe spannend natuurkunde is. Ook mijn promotor was zeer kritisch. Misschien is het een beetje masochistisch, maar ik vind het prettig als mensen hoge eisen aan mij stellen. Als iemand alles mooi en goed vindt, krijg je minder de kans om jezelf te verbeteren. Ik heb bereikt wat ik bereikt heb dankzij kritische mensen in mijn omgeving. Ik ben zelf ook streng voor mijn promovendi. Dat is goed voor hun carrière.’


In een optisch lab zie je tenminste wat je doet

87 Intermezzo • Interview met Jaime Gómez Rivas

Dit is gaver dan wat ik ooit heb gezien

Interview

Gijs Wuite (35), universitair hoofddocent biofysica aan de VU, leider van het FOM-programma “DNA in action: physics in the genome”, publicaties in Nature en Science

‘Ik wilde eerst werken aan de theorie van zwaartekrachtgolven. Maar tijdens een studiereis naar Amerika kwam ik terecht in biofysische labs. Het was toen nog maar net mogelijk om afzonderlijke moleculen te manipuleren. Je voelde daar een energie… Ik dacht meteen: hier moet ik naartoe; dit is veel gaver dan alles wat ik tot nu toe heb gezien. Dat is toen ook gebeurd. Ik heb vijf jaar in Amerika gezeten, onder andere in Berkeley. Dankzij nieuwe technieken, zoals een micropincet van laserstralen, kunnen we biologische en fysiologische verschijnselen meten en kwantificeren. Bijvoorbeeld het gedrag van DNA of virussen. Vroeger werd dat alleen geobserveerd, nu kunnen we er kwantitatieve modellen voor ontwikkelen en het daardoor beter begrijpen en beïnvloeden. Zelf vervul ik als experimenteel fysicus een brugfunctie: biologen komen naar mij toe, omdat ze niet verder komen met de technieken uit hun eigen vakgebied. Ik zoek als dat nodig is op mijn beurt weer contact met theoretische fysici. Doordat FOM veel in de biofysica heeft geïnvesteerd, is er een jonge generatie fysici op dit vakgebied gesprongen, gelijkgestemde mensen. Dat zorgt voor een prettig en stimulerend onderzoekskli-

maat. Met z’n allen bieden we tegenwicht aan het wetenschappelijke geweld van de Amerikanen. Ik hoorde het laatst nog op een conferentie iemand zeggen in de wandelgangen: ‘Wat zijn er hier veel Nederlanders en wat zijn ze goed.’ De Nederlandse universiteiten vind ik te hiërarchisch: elke leerstoelgroep is een imperium. Als er een hoogleraar weggaat moet er iemand voor terugkomen met precies hetzelfde profiel. Dat lukt dan natuurlijk nooit. Wetenschap moet vloeibaar zijn. Je moet niet op zoek gaan naar iemand die precies dit of dat doet, maar naar iemand die goed is. Die laat je dan zijn eigen groep opbouwen. Ja, ik ben ambitieus. Ik heb veel meer ideeën dan waar ik nu geld voor krijg. Mijn eerste ambitie is om hoogleraar te worden. Het gaat me niet om die toga, die kan me gestolen worden. Maar ik wil wel promotor zijn van mijn eigen studenten. Daarvoor ben ik nu te afhankelijk van de handtekening van een ander en dat stoort me: ík heb ze getraind, ík heb alles gedaan, ík weet of ze ’t aankunnen, dus ik wil ook die handtekening kunnen zetten. Ik denk dat wetenschappers van mijn leeftijd het product zijn van een zwaarde-

100 Intermezzo • Interview met met Gijs Wuite

re selectie: 1990, toen ik ging studeren, was een piek in het aantal studenten. Degenen die nu over zijn hebben allemaal een goed promotieonderzoek gedaan en zijn in het buitenland geweest. Onder de oudere generatie zie ik mensen rondlopen die hun hele leven aan dezelfde universiteit hebben gesleten. Ze zijn er begonnen als student en vertrekken er als emeritus hoogleraar. Dat vind ik nogal beperkt; je zult dat bij mijn generatie niet tegenkomen, net zomin als wij voet aan de grond hebben gekregen alleen omdat we zo goed met onze hoogleraar konden opschieten. De lat is denk ik hoger komen te liggen en ook objectiever geworden. Een inspirerend voorbeeld vind ik Ronald Plasterk. Fascinerend hoe hij én een fantastische wetenschapper is én nu ook minister. Zo ver ligt het nu ook weer niet uit elkaar: wetenschap is ook politiek. Ik denk niet dat je een succesvolle wetenschapper kunt zijn zonder gevoel te hebben voor hoe besluitvorming werkt. Daarom ben ik blij dat ik in de ondernemingsraad van de VU heb gezeten, waar ik kon zien hoe het College van Bestuur denkt en beslist. Knap hoor, hoe ze ons op een zijspoor wisten te rangeren…’


Wetenschap moet vloeibaar zijn

101 Intermezzo • Interview met Gijs Wuite

Een mooi gekleurde vogelveer

Interview

Gijsje Koenderink (33), groepsleider Biologische Zachte Materie bij AMOLF, cum laude afgestudeerd en gepromoveerd, lid van De Jonge Akademie van de KNAW, ontvanger van een FOm/v-beurs en Marie Curie fellowship (EU)

‘Wat het verschil is tussen levende en dode materie? Voor een bioloog is elke cel uniek. Als fysici denken we dat we krachten en interacties bloot kunnen leggen die op álle cellen toepasbaar zijn. Levende systemen worden nu nog slecht begrepen. Als we vooruitgang willen boeken moeten we vanuit verschillende disciplines het probleem beschrijven. Dode materie raakt in evenwicht, bereikt een stabiele toestand. Een levend systeem is altijd ver uit evenwicht: het heeft brandstof nodig en zet die om in mechanische arbeid. Om dat actieve element te vangen moeten fysici op zoek naar nieuwe concepten. Het is nieuwe, uitdagende natuurkunde. Daaraan wil ik een bijdrage leveren: onderzoek doen dat de fysica vooruitbrengt. Dat het ook kan leiden tot medische toepassingen is mooi meegenomen. Hoe wordt weefsel gevormd? Hoe kan het dat een cel beweegt? Het zijn interessante fysische vragen, die ook nog een concreet doel dienen: dat je snapt hoe je een tussenwervelschijf moet repareren of dat je kanker kunt bestrijden. Ik wil mijn onderzoekslijn in de komende jaren verder uitbouwen. Waar weet ik nog niet. Maar Europa is heel sterk in dit vakgebied en ik voel me hier het meeste thuis, dus ik wil het liefst aan het Europese onderzoek bijdragen.

De grenzen tussen wetenschapsgebieden vervagen. Ik ben zelf bijvoorbeeld afgestudeerd als scheikundige, maar werk nu aan een fysisch instituut. Ik denk dat die trend zich verder zal doorzetten. Je ziet het ook aan de opleidingen die worden aangeboden; die zijn steeds vaker multidisciplinair. Je krijgt zo een nieuw soort onderzoeker, die over grenzen heen kijkt. De beurzen die ik heb ontvangen, maakten het mogelijk om mijn eigen onderwerp te kiezen en om samen met mijn man twee jaar aan Harvard te werken. De FOm/v-beurs laat je drie jaar in Nederland werken als postdoc, waarbij je dit contract op een zelf te bepalen moment mag onderbreken voor tenminste één jaar in het buitenland. Door deze flexibele voorwaarden kon ik mijn carrière opbouwen zonder een keuze te hoeven maken die schadelijk was voor mijn relatie. Anders was het misschien anders gelopen, want zo’n keuze had ik nooit gemaakt. Hoezo ongeëmancipeerd? Het is juist vreemd dat dit soort flexibele beurzen er alleen voor vrouwen zijn. Mannen hebben tegenwoordig ook vaak een partner met een eigen carrière. Ook hen zie je afhaken als ze langdurig weg moeten wanneer dat niet met de loopbaan van hun partner te combineren valt.

116 Intermezzo • Interview met Gijsje Koenderink

Ik denk dat een verschil met eerdere generaties wetenschappers is dat mijn leeftijdsgenoten de balans tussen privé en werk belangrijk vinden. Het beeld verdwijnt dat je alleen maar een goede wetenschapper kunt zijn als je 24 uur per dag op het lab bent. Dat is ook gewoon niet zo. Amerikanen brengen bijvoorbeeld heel veel tijd op hun werk door, maar wij Europeanen hebben een minstens zo hoge output. Omdat we intensief en efficiënt werken, goed samenwerken en verschillende dingen tegelijk aankunnen. Een inspirerend voorbeeld vind ik in 19e eeuwse onderzoekers zoals Robert Brown en Charles Darwin, die heel nieuwsgierig om zich heen keken en dingen waar ze verbaasd over waren gingen onderzoeken. Dat vind ik iets moois hebben: je ziet in het bos een mooi gekleurde vogelveer en legt hem thuis onder de microscoop om te ontdekken waar die mooie kleuren vandaan komen. Dat zou ik ook willen: me laten inspireren door wat er in mijn omgeving gebeurt en me niet vastbijten in één thema.’


Het is nieuwe, uitdagende natuurkunde

117 Intermezzo • Interview met Gijsje Koenderink

Interview

Dicht bij de oorsprong van alles Niels Tuning (34), senior onderzoeker bij SAF/NIKHEF, ontvanger van een Vidi-subsidie van NWO

‘Het wordt een spannende zomer. Na negen jaar bouwen worden dit voorjaar de eerste protonen de Large Hadron Collider, de grootste deeltjesversneller op CERN, in gestuurd. In oktober komt Sarkozy kijken, dus dan moet-ie toch wel een keer geknald hebben (dat wil zeggen dat de eerste deeltjes de volle omtrek van 27 km lange ring hebben afgelegd, red). De versneller heeft twee doelen. Ten eerste willen we theoretische aannames testen, dus meten wat we verwachten te meten. Maar waar iedereen op hoopt, is dat we misschien compleet nieuwe dingen ontdekken. Daar bouw je ‘m voor, voor iets ónverwachts. Het is een aparte wereld daar, honderd meter onder de grond. Eigenlijk een wonder dat het zo goed werkt: al die mensen van verschillende nationaliteiten die hun eigen ding doen. Er is weinig onenigheid, misschien omdat we allemaal hetzelfde belang hebben. Ik breng nu iets meer dan de helft van mijn tijd door in Genève. Hoe het moet als ik straks misschien kinderen heb, daar zit ik wel eens een beetje mee. Je kunt mis-

schien proberen het werk efficiënter in te richten zodat je daar minder naartoe hoeft. Of je moet er samen gaan zitten, maar moet mijn vriendin dan haar baan opgeven? Er wordt mij vaak gevraagd of ik niet liever iets nuttigs zou doen. Ja, dan kun je beginnen over spin-offs als het world wide web of medische toepassingen. Maar voor mij is kennis vergaren op zichzelf al nuttig genoeg. Als wij nu iets te weten komen en we schrijven het op, dan is ’t er voor de eeuwigheid. En trouwens, onderschat niet de interesse in vragen als hoe het universum in elkaar zit of wat er gebeurde vlak na de oerknal, vragen waarop wij de antwoorden zoeken. Ik ken best veel mensen die daarover nadenken, ook leken, met of zonder universitaire opleiding. Dat is óók een rechtvaardiging. Al zou een referendum over investeringen in de hoge-energiefysica me ook weer geen goed idee lijken. Ik ben van huis uit theoretisch natuurkundige, maar voelde me aangetrokken tot de experimentele fysica en dan vooral dit

118 I n t e r m e z z o • I n t e r v i e w m e t N i e l s Tu n i n g

vakgebied, omdat je er zo dicht bij de oorsprong van alles komt. Om je hele carrière in de theorie door te brengen is niet eenvoudig. Het is inhoudelijk moeilijk en het is ook moeilijk om boven te komen drijven. Ik zag mijzelf nu ook weer niet als de nieuwe Einstein. Ja, natuurlijk heb ik ook wel eens een loopbaan buiten de wetenschap overwogen. Bij een bank of zo. Daar denk je over na aan het eind van je promotieperiode, als ’t even tegen zit. Maar dit is vrijheid. Ik mag me bezighouden met de vraag hoe de wereld is geworden zoals hij is en ik krijg er nog voor betaald ook! Dat beschouw ik als een privilege. En dan zijn mijn werkdagen ook nog eens mooi en veelzijdig, in een veelkleurig internationaal gezelschap, een instituut met een structuur die zo plat is als een dubbeltje en waar een geweldige sfeer heerst. Nee, ik geloof niet dat degenen onder mijn vrienden die twee keer zo veel verdienen als ik nu zo veel gelukkiger zijn. Elke dag fluitend naar je werk gaan is toch ook wat waard?’


Het wordt een spannende zomer

119 I n t e r m e z z o • I n t e r v i e w m e t N i e l s Tu n i n g

Bijlage 1

FOM-werkgroepen en werkgroepleiders per instelling Werkgroep Werkgroepleider

Werkgroep Werkgroepleider


Universiteit van Amsterdam

Technische Universiteit Delft

Technische Universiteit Eindhoven

FOM-A-01

Prof.dr.ir. F.A. Bais

FOM-D-04

Prof.dr.ir. J.E. Mooij

FOM-E-01

Prof.dr. H.C.W. Beijerinck

FOM-A-02

Prof.dr.ir. H.B. van Linden van

FOM-D-05

Prof.dr. H.W. Zandbergen

FOM-E-04

Dr.ir. O.J. Luiten

den Heuvell

FOM-D-06

Prof.dr.ir. T.M. Klapwijk

FOM-E-05

Prof.dr. B. Koopmans

FOM-A-03

Prof.dr. G.H. Wegdam

FOM-D-08

Prof.dr. B.J. Thijsse

FOM-E-06

Prof.dr. A. Fiore

FOM-A-05

Prof.dr. B. Nienhuis

FOM-D-09

Prof.dr.ir. G.E.W. Bauer

FOM-E-07

Prof.dr. G. de With

FOM-A-07

Dr. R. Sprik

FOM-D-11

Prof.dr. C.I.M. Beenakker

FOM-E-09

Dr.ir. C.F.J. Flipse

FOM-A-11

Prof.dr. M.S. Golden

FOM-D-12

Prof.dr.ir. S. van der Zwaag

FOM-E-10

Prof.dr. M.A.J. Michels

FOM-A-13

Prof.dr. A.M.M. Pruisken

FOM-D-18

Prof.dr. S.J. Picken

FOM-E-11

Dr. L.J. van IJzendoorn

FOM-A-14

Dr. J.B. Goedkoop

FOM-D-20

Prof.dr. G.C.A.M. Janssen

FOM-E-12

Prof.dr.ir. M.C.M. van de Sanden

FOM-A-15

Dr. Th.M. Nieuwenhuizen

FOM-D-21

Prof.dr. I.T. Young

FOM-A-16

Prof.dr. T. Gregorkiewicz

FOM-D-22

Prof.dr.ir. P. Kruit

FOM-E-14

Prof.dr.ir. A.A. van Steenhoven

FOM-A-19

Prof.dr. A.K. Smilde

FOM-D-23

Prof.dr.ir. C.W.E. van Eijk

FOM-E-16

Prof.dr.ir. G.J.F. van Heijst

FOM-A-20

Prof.dr. E.P. Verlinde

FOM-D-24

Dr. W.G. Bouwman

FOM-E-18

Prof.dr.ir. M.G.D. Geers

FOM-A-23

Prof.dr. P.G. Bolhuis

FOM-D-25

Prof.dr. H.P. Urbach

FOM-E-20

Prof.dr.ir. R.A.J. Janssen

FOM-A-25

Prof.dr. C.J.M. Schoutens

FOM-D-26

Prof.dr. S. de Vries

FOM-A-26

Prof.dr. J.T.M. Walraven

FOM-D-27

Dr.ir. A. Bossche

FOM-A-27

Dr. M. Müller

FOM-D-28

Prof.dr. C. Dekker

FOM-A-28

Prof.dr. W.J. Buma

FOM-D-29

Prof.dr.ir. B.J. Boersma

FOM-A-29

Prof.dr. R. van Driel

FOM-D-30

Prof.dr. K. Hanjalic´

FOM-D-32

Prof.dr.ir. R.V.A. Oliemans

FOM-D-34

Prof.dr.ir. G. Ooms

FOM-D-36

Prof.dr.ir. J. Westerweel

FOM-D-37

Prof.dr. L.D.A. Siebbeles

FOM-D-38

Prof.dr. A. Schmidt-Ott

FOM-D-39

Prof.dr.ir. C.P.A. Wapenaar

FOM-D-40

Dr. F.M. Mulder

FOM-D-41

Prof.dr.ir. L.P. Kouwenhoven

FOM-D-42

Prof.dr.ir. L.A.I. Kestens

FOM-D-44

Prof.dr.ir. H.S.J. van der Zant

FOM-D-45

Prof.dr. H.W.M. Salemink

FOM-D-46

Prof.dr. Yu.V. Nazarov

FOM-D-47

Prof.dr.ir. L.M.K. Vandersypen

FOM-D-48

Prof.dr. E.H. Brück

a.i.


Bijlage 1




Rijksuniversiteit Groningen

Universiteit Leiden

Radboud Universiteit Nijmegen

FOM-G-01

Prof.dr. E.A. Bergshoeff

FOM-L-01

Prof.dr. P.J. van Baal

FOM-N-01

Prof.dr. R.H.P. Kleiss

FOM-G-02

Prof.dr. D.A. Wiersma

FOM-L-02

Prof.dr. J.P. Woerdman

FOM-N-02

Prof.dr. S.J. de Jong

FOM-G-03

Prof.dr. H.A.J. Meijer

FOM-L-05

Prof.dr. C.W.J. Beenakker

FOM-N-03

Prof.dr. D.H. Parker

FOM-G-08

Prof.dr.ir. B.J. van Wees

FOM-L-07

Prof.dr.ir. W. van Saarloos

FOM-N-05

Prof.dr. J.J. ter Meulen

FOM-G-09

Prof.dr. J.T.M. de Hosson

FOM-L-08

Dr. R. Jochemse

FOM-N-06

Prof.dr. S. Speller

FOM-G-10

Prof.dr.ir. P.H.M. van Loosdrecht

FOM-L-11

Prof.dr. E.J.J. Groenen

FOM-N-08

Prof.dr.ir. J.C. Maan

FOM-G-13

Prof.dr. J. Knoester

FOM-L-14

Prof.dr. J.W.M. Frenken

FOM-N-09

Prof.dr. M.I. Katsnelson

FOM-G-14

Prof.dr. T.T.M. Palstra

FOM-L-15

Prof.dr. J. Zaanen

FOM-N-11

Prof.dr. Th.H.M. Rasing

FOM-G-16

Prof.dr. R. Broer a.i.

FOM-L-16

Prof.dr. J. Aarts

FOM-N-15

Prof.dr. C.G. Figdor

FOM-G-17

Prof.dr.ir. E. van der Giessen

FOM-L-17

Prof.dr. Th. Schmidt

FOM-N-16

Prof.dr. R.A. de Groot

FOM-G-21

Prof.dr. P. Rudolf

FOM-L-20

Prof.dr. D. Bedeaux

FOM-N-17

Prof.dr. W.J. van der Zande

FOM-G-22

Prof.dr. G. ten Brinke

FOM-L-21

Prof.dr. M.A.G.J. Orrit

FOM-N-18

Prof.dr. J.M.E. Kuijpers

FOM-G-23

Prof.dr. J.C. Hummelen

FOM-L-22

Prof.dr. J.M. van Ruitenbeek

FOM-N-19

Prof.dr. N.P. Landsman

FOM-L-23

Prof.dr. T.J. Aartsma

FOM-N-20

Dr. C. Logie

FOM-L-24

Prof.dr. J.N. Kok

FOM-L-25

Dr. M. van Hecke

FOM-L-26

Prof.dr. H. Schiessel

FOM-L-27

Dr. H.V.J. Linnartz





Erasmus Universiteit

Universiteit Utrecht

FOM-R-01

Prof.dr.ir. N. de Jong

FOM-U-01

Prof.dr. G. ‘t Hooft

Wageningen Universiteit en Research

FOM-R-02

Dr.ir. H.J.C.M. Sterenborg

FOM-U-02

Prof.dr. Th. Peitzmann

FOM-W-01 Prof.dr. M.A. Cohen Stuart

FOM-R-03

Prof.dr. R. Kanaar

FOM-U-03

Prof.dr. P. van der Straten

FOM-W-02 Prof.dr. H. van Amerongen

FOM-R-04

Prof.dr. C.P. Verrijzer

FOM-U-06

Prof.dr. H.N.W. Lekkerkerker

FOM-U-07

Prof.dr. H. van Beijeren

FOM-U-09

Prof.dr. A. van Blaaderen

FOM-U-12

Prof.dr. J.I. Dijkhuis

FOM-U-20

Prof.dr. H.C. Gerritsen

FOM-U-21

Prof.dr. A.P. Philipse

FOM-U-23

Prof.dr. A.J.R. Heck

FOM-U-26

Dr. C.W. Rodenburg

FOM-U-28

Prof.dr. D.A.M. Vanmaekelbergh

FOM-U-29

Prof.dr. B.Q.P.J. de Wit

FOM-U-30

Prof.dr. H.E. de Swart

FOM-U-31

Dr. R.H.H.G. van Roij

FOM-U-32

Prof.dr. A. Meijerink

FOM-U-33

Prof.dr. J.A. Trampert

Universiteit Twente

Vrije Universiteit

FOM-T-01

Prof.dr. K.-J. Boller

FOM-V-01

Prof.dr. P.J.G. Mulders

FOM-T-02

Prof.dr. J.L. Herek

FOM-V-02

Prof.dr.ing. J.F.J. van den Brand

FOM-T-03

Prof.dr. D. Lohse

FOM-V-03

Prof.dr. W. Hogervorst

FOM-T-04

Prof.dr. H. Rogalla

FOM-V-04

Prof.dr. S. Stolte

FOM-T-08

Prof.dr.ir. B. Poelsema

FOM-V-05

Prof.dr. R. van Grondelle

FOM-T-09

Prof.dr. P.J. Kelly

FOM-V-07

Prof.dr. R.P. Griessen

FOM-T-10

Prof.dr. L. Kuipers

FOM-V-09

Prof.dr. F.C. MacKintosh a.i.

FOM-T-15

Prof.dr. V. Subramaniam

FOM-V-10

Prof.dr. H.V. Westerhoff

FOM-T-17

Prof.dr. F. Mugele

FOM-V-11

Dr.ir. T.H. Smit

FOM-T-19

Prof.dr.ir. J.A.M. Kuipers

FOM-V-12

Prof.dr. J. Klein-Nulend

FOM-T-20

Prof.dr.ir. W.J. Briels

FOM-V-13

Prof.dr. F.C. MacKintosh

FOM-T-21

Prof.dr.ir. J.J.W. van der Vegt

FOM-V-14

Prof.dr. S.M. van der Vies

FOM-T-23

Prof.dr. A. Lagendijk

FOM-V-15

Prof.dr. W.M.G. Ubachs

FOM-T-24

Prof.dr. W.L. Vos

FOM-V-16

Dr. T.D. Visser

FOM-T-25

Prof.dr.ir. B. Nauta

FOM-T-26

Prof.dr.ir. J. Huétink

FOM-T-27

Prof.dr.ing. D.H.A. Blank

FOM-T-28

Prof.dr. S. Luding


Bijlage 2

Lijst van afkortingen

AB

Algemeen Bestuur (van NWO)

ACTS

Advanced Catalytic Technologies for Sustainability

AGOR

Accélérateur Groningen Orsay (KVI)

ALICE

experiment in LHC (CERN)

ALW

Aard- en Levenswetenschappen (NWO)

AMOLF

FOM-Instituut voor Atoom- en Molecuulfysica (Amsterdam)

AMS-IX

Amsterdam Internet Exchange

ANTARES

Astronomy with a Neutrino Telescope and Abyss environmental RESearch

ApPEC

Astroparticle Physics European Coordination

ATLAS

A Toroidal LHC ApparatuS (detector voor LHC)

BUW CCLRC CERN COMOP

Beheerseenheid Universitaire Werkgroepen Council for the Central Laboratory of the Research Councils (UK) Europees centrum voor deeltjesonderzoek (Genève) subgebied Gecondenseerde materie en optische fysica

COR

Centrale Ondernemingsraad

CPS

Centrum voor Plasmafysica en Stralingstechnologie (bij TU/e)

CW

Chemische Wetenschappen (NWO)

DESY DFG EC

Deutsches Elektronen Synchrotron (Hamburg) Deutsche Forschungsgemeinschaft Europese Commissie

ECT*

European Centre for Theoretical Studies in Nuclear Physics and Related Areas

ECN

Energieonderzoek Centrum Nederland

EFDA EPSRC ESF ESRF EU EUR EURATOM EZ FANTOM FeF

European Fusion Development Agreement Engineering and Physical Sciences Research Council (Groot-Brittannië) European Science Foundation European Synchrotron Radiation Facility (Grenoble) Europese Unie Erasmus Universiteit Rotterdam Europees bureau voor atoomenergie ministerie van Economische Zaken onderzoekschool Fundamental and Applied Nuclear and Atomic Physics subgebied Fenomenologische fysica

FELICE

Free Electron Laser Intra-Cavity Experiments (Rijnhuizen)

FELIX

Free Electron Laser for Infrared eXperiments (Rijnhuizen)

FL FuF GB-ALW GB-CW

subgebied Fysica van levensprocessen subgebied Fusiefysica Gebiedsbestuur Aard- en Levenswetenschappen Gebiedsbestuur Chemische wetenschappen

GBE

Gebiedsbestuur Exacte wetenschappen

GBN

Gebiedsbestuur Natuurkunde


Bijlage 2

HERA

Hadron Elektron Ring Anlage (bij DESY)

HERMES

HERa MEasurements of Spin dependent structure functions (bij HERA)

HiSPARC

High School Project on Astrophysics Research with Cosmics

HFML

High Field Magnet Laboratory (bij de RU)

IN2P3

Institut National de Physique Nucléaire et de Physique des Particules (Orsay)

IPP ITER JET ke KMS KNAW KVI LEI LHC LHCb LIFE

Industrial Partnership Programme International Tokamak Experimental Reactor Joint European Torus duizend euro Koninklijke Militaire School (Brussel) Koninklijke Nederlandse Akademie van Wetenschappen Kernfysisch Versneller Instituut (Groningen) Universiteit Leiden Large Hadron Collider (bij CERN) experiment voor meten van B-mesonen in LHC Light-Ion Facility Europe

MF

Samenwerkingsverband Mathematische Fysica

Me

miljoen euro

MPI NANO NIKHEF

Max-Planck-Institut subgebied Nanofysica/-technologie Nationaal Instituut voor Kernfysica en Hoge-energiefysica

NIMR

Netherlands Institute for Metals Research

NIZO

Nederlands Instituut voor Zuivelonderzoek

NLR

Nationaal Lucht- en Ruimtevaartlaboratorium

NMi

Nederlands Meetinstituut

NRG

Nuclear Research and Consultancy Group (ECN en KEMA)

NSF

National Science Foundation

NuPECC

Nuclear Physics European Collaboration Committee

NWO

Nederlandse organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek

OCW

ministerie van Onderwijs, Cultuur en Wetenschap

oio

onderzoeker in opleiding

OP/T

ondersteunend personeel in tijdelijke dienst

OP/V

ondersteunend personeel in vaste dienst

OSAF

Onderzoekschool Subatomaire Fysica

PC PPM PR PRL

programmacommissie NWO-Prioriteitsprogramma Materialenonderzoek FOM-projectruimte Philips Research Laboratories


RU

Radboud Universiteit Nijmegen

RuG

Rijksuniversiteit Groningen

SAC

scientific advisory committee

SAF

subgebied Subatomaire fysica

SAF/NIKHEF

FOM-Instituut voor Subatomaire Fysica NIKHEF

SARA

Stichting Academisch Rekencentrum Amsterdam

SLAC

Stanford Linear Accelerator Center (VS)

STW

Technologiestichting STW

TEC TEXTOR

Trilateral Euregio Cluster Tokamak Experiment for Technology Oriented Research (Jülich)

TNO

Nederlandse organisatie voor Toegepast Natuurwetenschappelijk Onderzoek

TPD

Technisch-Physische Dienst (TNO/TUDelft)

TP/T

technisch personeel in tijdelijke dienst

TP/V

technisch personeel in vaste dienst

TRIμP TUDelft TU/e UB URL

Trapped Radioactive Isotopes: micro-laboratories for fundamental Physics Technische Universiteit Delft Technische Universiteit Eindhoven Uitvoerend Bestuur van FOM Unilever Research Laboratorium

UT

Universiteit Twente

UU

Universiteit Utrecht

UvA VU

Universiteit van Amsterdam Vrije Universiteit te Amsterdam

WP/T

wetenschappelijk personeel in tijdelijke dienst

WP/V

wetenschappelijk personeel in vaste dienst

WUR

Wageningen Universiteit en Research

ZEUS

Zitisis kath Efretis Upokeimenis Summetrias, experiment bij HERA


FOM-Jaarboek Colofon

Recommend Documents