FOM geeft natuurkunde impuls met zes nieuwe onderzoeksprogramma’s

Dat varieert van het gedrag van elektronen in ééndimensionale systemen, het bestuderen van de interacties van fotonen opgesloten in een piepklein volume (quantumoptica), tot eiwitaggregatie in de hersenen op nanoschaal bekeken en de fundamentele vraag welke nieuwe natuurkunde er te vinden is met nieuwe technieken als supernauwkeurige atoomklokken en ultrasnelle lasers. Ook de vraag hoe wrijving tot stand komt en of grafeen kan helpen om wrijving sterk te verlagen komt aan bod, evenals wat het in het fotosynthese-proces essentiële thylakoïde membraan ons kan leren voor de opslag van zonne-energie.

Krachten bundelen

Per onderzoeksprogramma bundelen dé specialisten van de verschillende Nederlandse kennisinstellingen op specifieke terreinen hun krachten. De onderzoeksprogramma’s moeten leiden tot wezenlijk begrip van recent ontdekte verschijnselen en in sommige gevallen ook zicht bieden op nieuwe technologie. De Vrije FOM-programma’s verenigen de beste onderzoeksgroepen op hun terrein in Nederland. Daarmee realiseert FOM wat in het beleidsjargon ‘focus en massa’ heet: met een fors aantal van de beste onderzoekers in Nederland op nationaal niveau gecoördineerd werken aan een beperkt aantal uitdagende wetenschappelijke onderwerpen.

Competitie 

De zes gehonoreerde programma’s zijn de winnaars in een zware competitie die afgelopen voorjaar startte met zestien ingediende aanvragen voor Vrije FOM-programma’s. Op basis van mondelinge presentaties, adviezen van adviescommissies en een scherpe beoordeling door internationale experts van de wetenschappelijke kwaliteit van de aanvragen, heeft het bestuur van FOM de hoogst eindigende aanvragen beloond met elk gemiddeld een kleine drie miljoen euro voor de komende zes jaar. De aanvragen waren van zeer hoge kwaliteit en dankzij de inzet van 2,4 miljoen euro aan extra middelen van NWO kon het Uitvoerend Bestuur van FOM besluiten zes aanvragen te honoreren waarmee in het totaal 16,1 miljoen euro kon worden toegekend.

Een algemene uitleg over de Vrije FOM-programma’s staat op de website van FOM.

Quantumoptica op nanoschaal – hoe verloopt de interactie tussen fotonen en materie in een piepklein volume ?

Quantumoptica bestudeert de fysica van enkele licht-quanta (fotonen) en hun interactie met materie (zowel individuele atomen als quantumdots). Dit onderzoeksprogramma wil quantumoptica realiseren op ultrakleine lengteschalen, door zichtbare of nabij-infrarode fotonen op te sluiten in volumes kleiner dan 50 x 50 x 50 nanometer. Deze lengteschalen zijn voor de quantumoptica tot nu toe altijd buiten bereik gebleven, omdat ze ver beneden de limiet van één kubieke golflengte liggen die haalbaar is met conventionele spiegels, lenzen, en trilholtes.

Programmaleider Andrea Fiore licht toe: "Ik ben heel verheugd over deze nieuwe samenwerking waarin we een geheel nieuw, fundamenteel begrip op zullen bouwen van de ultrasterke interactie van licht met materie, die verkregen wordt als enkele fotonen op deze schaal worden opgesloten." Het programma bundelt de unieke Nederlandse expertise in quantumoptica en nanofotonica van de TU Eindhoven, de Universiteit Leiden, TU Delft, en het FOM instituut AMOLF, en kan leiden tot een nieuwe generatie ultracompacte nanofotonische apparaten.

De singuliere fysica van één-dimensionale systemen
In één- en twee-dimensionale (1D en 2D)  elektronensystemen spelen elektron-elektron interacties een veel prominentere rol dan in een driedimensionaal (3D) systeem. Studies aan 2D elektronsystemen zoals bijvoorbeeld grafeen, 2D elektronengassen en topologische isolatoren hebben al tot een groot aantal zeer interessante en intrigerende fenomenen geleid. De te verwachte eigenschappen van 1D elektronensystemen zijn, zo mogelijk, nog exotischer.

De meest in het oog springende voorspelling is dat het elektron in een 1D systeem opsplitst in twee quasideeltjes, één quasideeltje met alleen een spinkarakter (spinon) en één quasideeltje met alleen een ladingskarakter (holon). Recente experimentele ontwikkelingen maken het mogelijk om goed gedefinieerde 1D systemen te prepareren en te onderzoeken. Hiermee kunnen theoretische modellen getoetst worden. Programmaleider Harold Zandvliet reageert enthousiast: "Het begrip van 1D systemen in een gecoördineerde samenwerking tussen theorie en experiment kan met dit onderzoeksprogramma verder worden verdiept. Dat gaat interessante nieuwe fysica opleveren!"

Broken mirrors & drifting constants – met nauwkeurige atoomklokken en ultrastabiele lasers op zoek naar nieuwe natuurkunde
Nieuwe fundamentele fysische fenomenen, die verder gaan dan het Standaard Model van de natuurkunde, kunnen worden gedetecteerd in extreem nauwkeurige metingen aan deeltjes op atomaire schaal. Superstabiele lasers kunnen deze metingen verrichten, zowel aan atomen als aan kleine moleculen en ionen. Laserkoeling en elektromagnetische velden houden deeltjes onder controle tijdens de metingen. Met atoomklokken die tot op 15-cijfers nauwkeurig de tijd aangeven, gaan de onderzoekers op zoek naar tijdsvariatie van fundamentele natuurconstantes en naar breking van spiegelsymmetrie.

Onderdeel van het programma is ook het gebruik van een fiber-netwerk tussen de VU (Amsterdam) en het Kernfysisch Versneller Instituut (Groningen) waarmee ultrastabiele kloksignalen kunnen worden vergeleken. Programmaleider Wim Ubachs: "Deze fiber-link zal in de toekomst deel gaan uitmaken van een Europees precisie-netwerk. Dat zal niet alleen voor fundamentele natuurkunde gebruikt worden, maar ook voor nieuwe technologische toepassingen, bijvoorbeeld in de telecomsector. Het is goed dat we daaraan mee kunnen doen, en tegelijkertijd fundamenteel toponderzoek doen. Een mooie combinatie!"

Het thylakoïde membraan – een dynamische schakeling
Dit onderzoeksprogramma richt zich op nieuwe kennis over de structuur en dynamica van het thylakoïde membraan onder verschillende omstandigheden. Dit membraan speelt een essentiële rol in fotosynthese en is daarmee interessant voor onderzoek gericht op de opslag van zonne-energie voor duurzame energieproductie.

De uitdaging van dit programma zit in het ontrafelen van de moleculaire processen die ten grondslag liggen aan de snelle en efficiënte reactie van dit membraan op invloeden van buiten. Het membraan is extreem flexibel wat betreft de supramoleculaire organisatie en functionaliteit, met name als de lichtintensiteit varieert, zoals dat gedurende de dag van nature gebeurt. "Het schakelen voorkomt schade aan de cel door teveel licht en is essentieel voor het voortbestaan van de plant onder snel veranderende omstandigheden gedurende een dag", licht programmaleider Rienk van Grondelle verheugd toe.  Met een combinatie van verschillende experimenten en kwantitatieve modellen zal dit programma een tipje van de sluier oplichten hoe deze processen op nanometer en micrometer schaal verlopen.

Eiwit-aggregatie op nanoschaal
Uit pathologisch onderzoek bij overleden Parkinson patiënten blijkt dat de door de ziekte aangetaste delen van de hersenen grote hoeveelheden samengeklonterd eiwit bevatten. Een combinatie van geavanceerde microscopische, spectroscopische en biochemische technieken geeft inzicht in deze eiwitkluwen. Onderzoekers kijken daarbij naar de normale biologische functie van het eiwit en naar de schade die verkeerd gevouwen en samengeklonteerde eiwitten toebrengen aan zenuwcellen. Dit onderzoeksprogramma richt zich met name op de eerste fase in het aggregatie- en nucleatieproces en de fysische eigenschappen van onder meer de aggregaat-membraan interacties.

In neurodegeneratieve ziekten als de ziekte van Parkinson en de ziekte van Alzheimer sterven zenuwcellen af in een bepaald deel van de hersenen. Een gemis aan kennis over de exacte oorzaak van het afsterven van de zenuwcellen staat de ontwikkeling van een succesvolle behandeling in de weg. "Dit onderzoeksprogramma biedt unieke mogelijkheden om het proces van eiwitaggregatie op zeer kleine schaal in detail te bestuderen. Zodoende kunnen we wellicht belangrijke inzichten verkrijgen over het vroegste stadium van de ziekteprocessen die zich in het menselijke brein af kunnen spelen. Ik ben zeer verheugd dat we deze uitdaging uit de biofysica nu gezamenlijk aan kunnen pakken," aldus programmaleider Vinod Subramaniam.

Fundamentele blik op wrijving
Dit onderzoeksprogramma slaat een brug tussen het fundamentele begrip van wrijving in twee verschillende werelden: tussen een ideaal, atomair schoon, elastisch contact op nanoschaal en de dagelijks voorkomende wrijving tussen macroscopische voorwerpen. In de dagelijkse praktijk treden grote aantallen contacten met wrijving op, die elk een relatief groot oppervlak hebben. Bij het contact tussen twee oppervlakken is niet alleen sprake van elastische vervorming, maar speelt ook plastische vervorming een belangrijke rol. Bovendien is in de praktijk de aanwezigheid van vloeistoffen of vaste smeermiddelen heel belangrijk.

"De fysische verschijnselen die het verschil maken tussen wrijving tijdens het karikaturale contact op nanoschaal en tijdens de dagelijkse praktijk, nemen we onder de loep met een combinatie van experimenten, computersimulaties en theorie. Een hoofdrol in het programma zal worden gespeeld door bijzondere, veelbelovende wrijvingsverlagende materialen, zoals grafeen. Een van de ambities is om wrijving onder controle te krijgen: laag of afwezig als dat kan, hoog als het moet" licht programmaleider Joost Frenken enthousiast toe.