Door meten tot weten - Nederlands Tijdschrift voor Natuurkunde
advertisement
Nederlands Tijdschrift voor Natuurkunde april 2014-jaargang 80-nummer 4 Door meten tot weten Strooien met licht Data, data, data Editorial Uitgave van de Nederlandse Natuurkundige Vereniging 80e jaargang (2014), nummer 4 nnv-bureau lidmaatschappen en abonnementen Afstand nemen Nederlandse Natuurkundige Vereniging Noortje de Graaf (directeur), Anja Al, Debora van Galen Last (secretaresse) Postbus 41882 1009 db Amsterdam Telefoon: 020 59 222 11 E-mail: [email protected] Website: www.nnv.nl Leden van de NNV ontvangen maandelijks het NTvN. Opzeggen kan via www.nnv.nl. Opzeggingen voor het komende jaar dienen binnen te zijn voor 1 december, het NNV-bureau zal de opzegging binnen een week bevestigen. Blader eens door een recent nummer van CERN Courier. Surf een kwartiertje over de webstek van ESO. Wie dan denkt: eigenlijk weet ik maar heel vaagjes hoe die spullen werken, is in goed gezelschap. Er is namelijk niemand op de planeet die wel weet hoe de LHC, de E-ELT en al hun detectoren werken. Mocht er toch zo iemand zijn, dan wed ik een miljard tegen één dat diegene niet weet hoe de bijbehorende software voor procesbesturing en analyse werkt. Pak Computing in Physics and Engineering erbij en lees over exascale computing. Ik weet zeker dat je even moet nalezen wat exascale ook alweer betekent. Dan hebben we het dus nog niet over de programmatuur die echt iets voor je moet uitrekenen, bijvoorbeeld hoe zwarte gaten ontstaan. Is dat erg? Hmmm. We zijn verwaarloosbaar klein ten opzichte van het Heelal. Dan is het niet zo moeilijk te aanvaarden dat we ook niet groot zijn ten opzichte van de wetenschap. Maar het is wel erg als je voor dat gevoel van onmacht zwicht. Wie zich laat afbluffen door een paar ton supervloeibaar helium heeft weinig weerwerk ten overstaan van de echte raadselen van ons Heelal. Niet alleen machines en software zijn intimiderend, theorieën zijn dat ook. Toen de sterrenkundige Eddington de door Einstein voorspelde straalbuiging langs de rand van de Zon had gemeten, werden beiden op slag wereldberoemd. Een journalist vroeg: “Professor Eddington, is het juist dat er maar drie mensen op de wereld de relativiteitstheorie begrijpen?” Waarop Eddington gezegd zou hebben: “Wie is die derde dan?” Ach ja. Je mag je best laten intimideren, al was het alleen maar omdat de tegenwoordige instrumenten, technieken en theorieën echt overweldigend zijn. Maar om je niet te laten verpletteren door al dat gewicht is het goed af en toe eens afstand te nemen. Neem afstand wanneer je beseft dat je Huygens nooit zult evenaren. Neem afstand als je bent opgefokt door je K-index, of hoe die voodoo moge heten, en achter je bureau zit te tobben hoe je de astrofysica zo krom en klein kunt maken dat-ie in de ‘Topsectoren’ past. Doe het. Ga naar een colloquium. Ga op vakantie, naar een popconcert, voor mijn part naar carnaval. Naar de bibliotheek, het theater of je bed. Naar een zomerschool of gewoon een weekje zomer. Verander van onderwerp, van kleding, van universiteit. Afstand nemen is geen afstand doen. Over een paar jaar vieren we de honderdste verjaardag van de Algemene Relativiteitstheorie. Met de juiste afstand maken we een kans die theorie te verenigen met dat andere superproduct: de quantumveldentheorie. Dan hebben we net op tijd bedacht hoe materie de ruimte-tijd kromt. Wie weet begrijpen we dan ook hoe ons Heelal begonnen is. Afstand nemen is actief, een bewuste handeling zonder doel. Dat klinkt een beetje zen-achtig. Misschien is het dat ook wel: richt je op de pijl, niet op de roos. Dat valt heus niet mee, maar ’t is net als natuurkunde: het went. Neem afstand. Zonder afstand geen perspectief, geen overzicht, geen weidsheid, geen wijsheid en geen plezier. En vooral: geen resultaat, of althans geen belangrijk resultaat. Doe het – af en toe. Het werkt – soms. Ouderen onder u herinneren zich misschien de hit die de rockband U2 had in 1987: And I still haven’t found what I’m looking for. Als dat je overkomt, houd dan eens op met gerichte vragen stellen. En neem afstand. Redactiesecretariaat NTvN artikelen en advertenties Nederlands Tijdschrift voor Natuurkunde Esger Brunner/ Marieke de Boer Science Park 105, kamer n228 Postbus 41882 1009 db Amsterdam Telefoon: 020 59 222 50 E-mail: [email protected] Website: www.ntvn.nl Twitter: NTvN_tweets 106 Redactie Lodewijk Arntzen, TN-HH Rob van den Berg, Shell Amsterdam Claud Biemans, Amsterdam Erik van der Bijl, UU Marieke de Boer, eindredacteur Roeland Boot, Thorbecke VO en DIFFER Lo Bour, AMC Helko van den Brom, VSL Esger Brunner, eindredacteur Fiona van der Burgt, UU Edip Can, Saxion Menno van Dijk, Shell Amsterdam Eduard Driessen, CEA-Grenoble Richard Engeln, TUe, hoofdredacteur Aernout van Enter, RUG Iwan Holleman, RUN Vincent Icke, UL Rob de Jeu, UvA Jeroen Kalkman, TU Delft Herman de Lang, Rotterdam Erik Langereis, DIFFER Marco van Leeuwen, Nikhef en UU Frans van Lunteren, UL Tim Marcus, VUmc Hans Muller, Utrecht Gerard van Rooij, DIFFER Wilfried van Sark, UU Frans Snik, UL Henk Swagten (bestuursgedelegeerde), TUe Kristiaan Temst, KU Leuven (B) Annemieke Vennix, TUe Wim Verkley, KNMI Henk Vrielinck, U Gent (B) Vormgeving Ori Ginale/Marc de Boer Opmaak EB/MdB Druk Ten Brink, Meppel Oplage 4400 Vincent Icke Nederlandse Natuurkundige Vereniging Nederlands Tijdschrift voor Natuurkunde april 2014 Inhoudsopgave Bij de omslag: Wat weet een cel van de wereld om zich heen? Chemische informatie vergaart de cel met behulp van receptoren in het celmembraan. Maar cellen gebruiken ook informatie over de mechanische eigenschappen van hun omgeving. Een open vraag is wat voor ‘zintuig’ de cel gebruikt om deze externe mechanische eigenschappen te meten. Op de voorpagina is een impressie te zien van een proefopstelling met een cel (blauw) die bij dit onderzoek wordt gebruikt. 128 NTvN-Prijsvraag 108 NTvN-Prijsvraag 112 Data, data, data boekbespreking 115 Gevonden! Hoe het Higgs-deeltje onze wereld veranderde Hans Muller ‘t vrije veld 117 Treinreizen met kompas interview 118 Biofysisch onderzoek aan populatiegolven loopbaan 121 De journalist 122 Een gevoelig oor voor neutrino’s 126 Positiebepaling met satellieten 128 Door meten tot weten nieuws 132 Vici-subsidies ingelijst 133 Moleculaire motoren ken uw klassieken 134 De fysicalisering van informatie 138 NNV-Nieuws 139 Agenda de uitdaging Strooien met licht Klaus Jäger Erik van der Bijl Hans Bot Marieke de Boer Herbert Blankesteijn E.J. Buis, E.J.J. Doppenberg, D. van Eijk, R.A. Nieuwland en P.M. Toet Lodewijk Arntzen Elizaveta Novikova en Kees Storm José Alvarado en Gijsje Koenderink Herman de Lang Het Nederlands Tijd­schrift voor Natuur­kunde is op www.ntvn.nl, of zijn op te vragen bij het Echter, artikelen kunnen geplaatst worden op de het maande­lijkse tijdschrift van de Nederlandse redactie­secretariaat. internet­pagina’s: Nederlands­t alige na­tuur­kun­dige ge­meenschap. De redactie behoudt zich het recht voor om • www.natuur­kunde.nl Ingezonden artikelen, re­­censies, discussies en artike­len te weigeren, in te kor­ten of anderszins te • www.kennislink.nl me­dedelingen – op het gebied van de natuurkunde wij­zigen zonder opgave van reden. Natuurkundige Ver­­eniging en richt zich op de in brede zin – zijn welkom. Inzendingen kunnen Niets van deze uitgave mag op welke wijze dan worden gestuurd naar het redactiesecretariaat, of De auteursrechten van de artikelen in dit tijdschrift ook gekopieerd of verveelvuldigd worden zonder naar re­­­dac­tieleden. Richt­lijnen voor auteurs staan liggen bij de desbetreffende auteur(s). nadrukkelijke toestemming van de auteur(s). april 2014 Nederlands Tijdschrift voor Natuurkunde 107 Prijsvraag tweede prijs Strooien met licht Dunnefilm-zonnecellen bevatten nanotexturen die het invallende zonlicht verstrooien en zo de absorptie van licht in de absorberende laag verhogen. Voor een maximale absorptie moet de morfologie van de nanotexturen geoptimaliseerd worden. Om deze optimalisering door te kunnen voeren, ontwikkelen we een verstrooiingsmodel dat op de scalaire verstrooiingstheorie gebaseerd is. Door de optimalisering leren we welke textuurparameters de verstrooiing voornamelijk beïnvloeden en hoe groot het maximaal verwachte effect van de nanotexturen zal zijn. M 108 et een totale geïnstalleerde capaciteit van meer dan 100 gigawattpiek aan het eind van 2012 is fotovoltaïsch (PV) gegenereerde elektriciteit niet meer uit de globale elektriciteitsportfolio weg te denken. Voor het grootste gedeelte van de geïnstalleerde en geproduceerde PV-modules worden zonnecellen van kristallijn silicium gebruikt, met een rendement van 17-25%. Omdat deze zonnecellen van siliciumwafers met een dikte van enkele honderden micrometers gemaakt worden, is het materiaal- én energieverbruik voor de productie zeer hoog. In tegenstelling tot deze cellen zijn de actieve lagen van dunnefilm-zonnecellen maar enkele micrometers dik, dus ruwweg honderd keer zo dun als kristallijne zonnecellen. Behalve een forse materiaalbesparing hebben dunnefilm-zonnecellen nog een ander voordeel: ze kunnen tot flexibele modules verwerkt worden, zoals in figuur 1 te zien is. Dunnefilm-zonnecellen kunnen van verschillende materialen worden gemaakt, zoals cadmiumtelluride (CdTe), koper-indium-gallium-diselenide (CIGS), of organische materialen. Deze materialen zijn echter vaak giftig (CdTe), zeldzaam (In) of hebben pro- Figuur 1 blemen met stabiliteit (organisch). Als we de zonnecel Nederlands Tijdschrift voor Natuurkunde maken van dunne siliciumlaagjes, hebben we deze problemen niet. Een groot nadeel van dunnefilm-zonnecellen van amorf (a-Si:H) [1] of nanokristallijn (nc-Si:H) [2] silicium is het relatief lage gestabiliseerde rendement van rond de 10%. Door een amorfe cel op een nanokristallijne cel te stapelen (een zogenaamde tandemcel) kan het zonnespectrum vanwege de verschillende bandkloven van a-Si:H en nc-Si:H beter benut worden wat een rendement van rond de 12% oplevert. Dunnefilm-silicium-zonnecellen bevatten nanotexturen die het invallende zonlicht verstrooien zoals in figuur 3a geschetst is. Daardoor wordt de gemiddelde weglengte van de fotonen in de absorberende lagen van de zonnecel vergroot, wat tot een hogere absorptie leidt en vervolgens tot een hogere stroom. Figuur 3b laat het effect van nanotexturen op het externe quantumrendement (EQE) zien: dat wil zeggen dat over een groot gedeelte van het spectrum en met name in het rood een hogere fractie van de fotonen omgezet wordt in gecollecteerde ladingsdragers. Voor de uiteindelijke opbrengst van de zonnecel is de morfologie van de nanotexturen bepalend en dus is het zeer belangrijk om geoptimaliseerde structuren te ontwerpen. In dit artikel laten we zien hoe we de morfologieën optimaliseren. Hiervoor hebben we vier bouwstenen nodig: (1) een optisch model dat de verstrooiing van de nanotexturen kan voorspellen, (2) een elektrisch model waarmee het effect van de verstrooiing op de zonnecelopbrengst kan worden bepaald, (3) een manier om goed controleerbare computergegenereerde nanotexturen te maken, en (4) een algoritme om de optimalisering door te kunnen voeren. De auteur met een flexibele PV-module van HyET Solar in een veld van traditionele niet-flexibele PVmodules. Foto: T. van Dijk. april 2014 Klaus Jäger Modelleren van de verstrooiing en zonnecelparameters Ons verstrooiingsmodel – de Technologische realisatie van nanotexturen in dunnefilm-zonnecellen In het algemeen worden nanotexturen via getextureerde laagjes van transparante geleidende oxiden (TCO, transparent conducting oxide) in de zonnecellen ingebouwd. De meest gebruikelijke TCO-materialen zijn tindioxide en zinkoxide. De werking van de TCO-laag is drievoudig: ten eerste dient deze zeer transparant te zijn om zo veel mogelijk licht door te laten naar de fotoactieve siliciumlagen. Ten tweede dient ze goed elektrisch geleidend te zijn, omdat de laag ook functioneert als elektrisch contact aan de voorzijde van de cel. Ten derde verstrooit de TCO-laag met haar nanogetextureerde oppervlak het binnenkomende licht. Sommige TCO-lagen krijgen hun structuur door het pro- (b) 2 μm 2 μm Figuur 2 Twee voorbeelden van nanogetextureerd TCO: a) pyramideachtig tindioxide en b) kraterachtig zinkoxide. (b) absorber achtercontact 0.6 cel zon ne 0.4 kke transparant voorcontact 0.8 0.2 vla glas Extern quantumrendement (–) (a) (a) et ren el m xtu nec ote zon nan eerste bouwsteen – is in de scalaire verstrooiingstheorie geformuleerd, waarin het vectorkarakter van het elektromagnetische veld en dus het licht wordt genegeerd. Verder maakt het model gebruik van de Fraunhofer diffractie-integraal, wat betekent dat het doorgelaten veld direct achter het verstrooiende object en het verstrooide lichtveld ver achter het object via Fouriertransformaties aan elkaar gekoppeld zijn. Door het gebruiken van eenvoudige aannames voor het veld direct achter het verstrooiende object kunnen we snelle fouriertransformatie (fast Fourier transform) algoritmes gebruiken waardoor het model zeer snel is. Het verstrooiingsmodel is zo geformuleerd dat het voor grensoppervlakken tussen willekeurige materialen werkt (zie kader Het verstrooiingsmodel) [3]. Figuur 4 toont de hoekafhankelijke intensiteitsdistributie (AID) en de haze voor twee verschillende TCO-luchtgrensoppervlakken. Zoals we kunnen zien, kan het model de gemeten parameters goed nabootsen, hoewel de twee onderzochte texturen erg verschillen. Het is opmerkelijk om te zien dat een oude theorie, zoals de klassieke diffractietheorie, nog steeds van groot nut is voor de toegepaste natuurkunde. Als tweede bouwsteen gebruiken we de opto-elektrische simulatiesoftware, ASA, die al meer dan 25 jaar aan de TU Delft wordt ontwikkeld [4]. Met ASA kunnen we het effect van de nanotexturen op de prestatie van dunnefilmsilicium-zonnecellen bestuderen. In figuur 5a zien we de EQE en de stroom- ductieproces; andere moeten nabehandeld worden, bijvoorbeeld door nat-chemisch etsen. 0 400 500 600 700 800 Golflengte (nm) Figuur 3 a) Verstrooiing van licht binnen een dunnefilm-silicium-zonnecel en b) het effect van de verstrooiing op het externe quantumrendement ten opzichte van een vlakke zonnecel. spanningskarakteristiek van een zonnecel met alleen vlakke grensoppervlakken. De vlakke cel is gebruikt om de elektrische parameters in ASA te kalibreren. Figuur 5b toont resultaten voor een cel met nanotexturen afkomstig van zinkoxide met een kraterachtige structuur en een root-mean-square(rms)-ruwheid (σr) van 35 nm. We zien dat het verstrooiingsmodel het effect van de nanotexturen op het gedrag van de zonnecel zeer goed kan simuleren [3]. Op zoek naar geoptimaliseerde nanostructuren Computergegenereerde Perlintexturen [5] die een willekeurige hoogteverdeling met een vaste laterale structuurgrootte ℓ combineren, zoals in de inzet van figuur 6 geschetst is, vormen de derde bouwsteen. Voor de optimalisering tellen we Perlintexturen met verschillende ℓ bij elkaar op, waarbij we de totale rms-ruwheid constant houden. Deze combinatie van verschillende ℓ schept een zeer grote parameterruimte waarbinnen we de optimalisering uit kunnen voeren. De vierde en laatste bouwsteen is het simulated-annealing algoritme dat een optimum zoekt, net als een systeem Klaus Jäger studeerde in 2008 af aan de ETH Zürich in Zwitserland als natuurkundige en promoveerde in 2012 cum laude aan de TU Delft. Hij werkte een jaar bij het Arnhemse bedrijf HyET Solar, dat flexibele zonnecellenfolie maakt. Sinds november 2013 is hij postdoc in de sectie Photovoltaic Materials and Devices van de TU Delft. [email protected] april 2014 Nederlands Tijdschrift voor Natuurkunde 109 (b) 10 − 1 lijnen... gesimuleerd symbolen... gemeten 1.0 10 − 2 zinkoxide 2 μm SnO2 (σr ≈ 40 nm) 10 − 3 tindioxide 10 − 4 0.8 zinkoxide 0.6 0.4 0.2 lijnen... gesimuleerd symbolen... gemeten 0° Haze in transmissie (–) AID in transmissie (a. u.) (a) 30° 60° 90° tindioxide 2 μm ZnO2 (σr ≈ 90 nm) 400 600 800 1000 1200 Golflengte (nm) Verstrooiingshoek Figuur 4 a) De AID bij 600 nm en b) de haze in transmissie voor twee verschillende TCO-lucht grensoppervlakken: piramide-achtig tindioxide van Asahi met een root-mean-square-(rms)-ruwheid σr = 40 nm en kraterachtig zinkoxide met σr = 90 nm. (a) (b) 0.8 0.4 0.2 0.4 0.6 0.8 4 8 12 16 0.2 lijnen. . . gesimuleerd symbolen. . . gemeten 400 500 600 0.6 0.2 0.4 0.6 0.8 4 0.4 8 12 16 0.2 lijnen. . . gesimuleerd symbolen. . . gemeten 0 700 2 μm V (V) 0 J (mA/cm2) V (V) 0 0 400 800 500 Golflengte(nm) 600 700 800 Golflengte (nm) Figuur 5 Gemeten en gesimuleerde zonnecelparameters voor een cel met a) vlakke grensoppervlakken en b) ruwe grensoppervlakken die door kraterachtig zinkoxide met σr = 35 nm zijn verkregen. 78 156 312 625 1250 10 − 1 10 − 2 (b) nm nm nm nm nm ℓ 10 − 3 10 − 4 0° 30° 60° 90° Extern quantumrendement (–) (a) AID in transmissie (a. u.) 110 Extern quantumrendement (–) 0.6 J (mA/cm2) Extern quantumrendement (–) 0.8 σ r ≈ 40 nm 0.8 0.6 0.4 (Stromen Jsc in mA/cm2) 39 78 156 312 0.2 0 400 Verstrooiingshoek nm nm nm nm ( Jsc = 14.3) ( Jsc = 14.9) ( Jsc = 14.9) ( Jsc = 14.3) 500 600 700 800 Golflengte(nm) Figuur 6 a) AID bij 600 nm (TCO-lucht) en b) EQE van zonnecellen met Perlinnanotexturen (σr ≈ 40 nm) en verschillende laterale structuurgroottes ℓ. dat langzaam afkoelt, om een toestand met een minimale inwendige energie te bereiken. In plaats van de inwendige energie gebruiken we de absorptie van licht in de absorberende laag die we met behulp van het verstrooiingsmodel in ASA kunnen berekenen. Het resultaat van de optimaliseringen is zeer merkwaardig: er overleeft altijd maar een laterale structuurgrootte – alle andere sterven uit. Een nanotex- Nederlands Tijdschrift voor Natuurkunde tuur met een optimale ℓ verstrooit dus beter dan een superpositie van meerdere texturen met verschillende ℓ. Om dit resultaat beter te begrijpen bestuderen we het effect van ℓ op de verstrooiings- en zonnecelparameters. Figuur 6a laat zien dat ℓ een duidelijke invloed heeft op de hoekafhankelijke intensiteitsdistributie: hoe kleiner ℓ, des te meer licht wordt verstrooid in grote hoeken. Het effect op de EQE april 2014 van zonnecellen laten we in figuur 6b zien: Voor de gegenereerde stroom bestaat dus een optimale ℓ. Een grotere ℓ leidt tot minder verstrooiing naar grote hoeken en voor een te kleine ℓ wordt minder licht verstrooid omdat het licht de nanotextuur dan niet meer ziet maar een geleidelijke overgang tussen de twee materialen ondervindt [6]. De hoogte van de nanotexturen beïnvloedt de vorm van het verstrooide Beschrijvende verstrooiingsparameters Een gedeelte van licht dat door een nanogetextureerd grensoppervlak heen gaat, wordt verstrooid – het diffuse gedeelte. Het andere gedeelte passeert het grensoppervlak onverstoord – dit gedeelte noemen we gericht. In het algemeen gebruiken we twee verstrooiingsparameters: de hoekafhankelijke intensiteitsdistributie (angular intensity distribution, AID) en de haze (H, waas). De AID geeft de fractie van het licht aan die in een bepaalde ruimtehoek wordt verstrooid. Door de AID over alle richtingen (behalve de gerichte) te integreren, verkrijgen we de diffuse transmissie, � 2π � π/2 Tdif (λ) = AID(θ) sin θdθdφ 0 HT (λ) + Tdif (λ) Tger (λ) + Tdif (λ) De diffuse reflectie en de haze in reflectie kunnen op soortgelijke wijze worden berekend. diffuus φ θ gericht intensiteit θi De haze is gedefinieerd als de diffuse (verstrooide) fractie van het totale doorgelaten licht, dat wil zeggen: Figuur 7 Illustratie van verstrooiing aan een nanogetextureerd oppervlak. Het verstrooiingsmodel In het verstrooiingsmodel wordt eerst het veld U ver achter de verstrooiende structuur berekend door Fouriertransformaties van de pupillenfuncties GT en GR, GT (x,y) = exp {ik0z(x,y) (n1-n2)], GR (x,y) = exp {ik02z(x,y) n1]. Met de pupillenfuncties schatten we de fase van het veld direct achter de nanotextuur af. n1 en n2 zijn de brekingsindices van de twee materialen waar de nanotextuur tussen ligt. z(x,y) is de hoogtefunctie van de nanotextuur, die wij met een atoomkrachtmicroscoop (AFM) meten. Merk op dat voor transmissie beide brekingsindices be- veld nauwelijks, maar ze bepaalt wel de fractie van het licht dat wordt verstrooid. Bij een constante ruwheid heeft een nanotextuur met een geoptimaliseerde ℓ de voorkeur boven een textuur die uit een superpositie van texturen met verschillende ℓ bestaat. Vanwege het effect van de nanotextuur op de elektrische eigenschappen van de zonnecel kan een superpositie van een textuur met grote laterale en verticale groottes plus een textuur met kleine laterale en verticale groottes echter geschikter zijn dan een textuur met scherpe piekjes (dus met kleine laterale maar grote verticale kenmerken). Vooruitzicht In mijn proefschrift [7] heb ik een verstrooiingsmodel ontwikkeld dat ons samen met de opto-elektrische software ASA in staat stelt om het ef- langrijk zijn, maar voor reflectie alleen n1. Middels het veld U worden vervolgens de AID en de haze bepaald. De AID is een functie van de bolcoördinaten (θ,φ). Vanwege het isotrope karakter van de nanotexturen kunnen we ervan uitgaan dat de AID niet afhankelijk is van de azimut φ. Dus kunnen we in de reële uitwerking over alle waardes middelen binnen een te definiëren band (θ, θ+Δθ), wat de ruis aanzienlijk doet verminderen. Omdat de haze ook nog eens via een integratie over θ word verkregen, is de ruis daarvan een stuk minder. Behalve de totale reflectie en transmissie van het grensoppervlak bevat het model geen enkele andere fitparameter. fect van nanotexturen op de prestatie van dunnefilm-zonnecellen te voorspellen. Dit is een zeer belangrijke toepassing voor zowel academisch onderzoek alsook industriële ontwikkeling. Verder heb ik met hulp van het verstrooiingsmodel naar geoptimaliseerde nanotexturen gezocht. Deze optimalisering laat duidelijk zien dat de laterale structuurgrootte de verstrooiing en dus de opbrengst van de zonnecellen aanzienlijk beïnvloedt. Maar het wordt ook duidelijk dat we van deze geoptimaliseerde structuren geen heel grote sprongen in het rendement meer kunnen verwachten. Daarvoor is het nodig om nieuwe zonnecelmaterialen met betere elektrische eigenschappen te ontwikkelen. Dankwoord (PVMD-sectie te Delft) hartelijk danken voor de talloze discussies. Verder wil ik HyET Solar (voorheen Nuon Helianthos) bedanken voor het financieren van dit promotieonderzoek. Referenties 1 W.M.M. Kessels, NTvN 67 (april 2001) 92-96. 2 A.C. Bronneberg, NTvN 79 (september 2013) 366-369. 3 K. Jäger, M. Fischer, R.A.C.M.M. van Swaaij en M. Zeman, J. Appl. Phys. 111 (2012) 083108. 4 M. Zeman, O. Isabella, S. Solntsev en K. Jäger, Sol. Energy Mat. Sol. Cells 119 (2013) 94-111. 5 K. Perlin, Comput. Graph. 26 (2002) 3. 6 K. Jäger, M. Fischer, R.A.C.M.M. van Swaaij en M. Zeman, Opt. Express 21 (2013) A656-A668. 7 K. Jäger, On the Scalar Scattering Theory for Thin-Film Solar Cells, proefschrift, TU Delft (2012). Ik wil René van Swaaij en Miro Zeman april 2014 Nederlands Tijdschrift voor Natuurkunde 111 Prijsvraag derde prijs Data, data, data Een groot deel van onze digitale data is opgeslagen op magnetische informatiedragers. Nieuwe ontwikkelingen in het veld van de spintronica kunnen leiden tot toekomstige opslagmedia die de snelheid van flashgeheugens met de capaciteit en stabiliteit van harde schijven combineren. In mijn proefschrift heb ik de wisselwerking tussen spinstromen en magnetisatiedynamica bestudeerd. Hier beschrijf ik hoe we symmetrie-argumenten kunnen gebruiken om te voorspellen welke krachtmomenten er in systemen met spin-baan-koppeling kunnen voorkomen. Erik van der Bijl I 112 edere minuut wordt er honderd uur aan filmpjes geüpload naar YouTube [1]. Of het nu de 1,8 miljard keer bekeken Gangnam Style van Psy is of een grappige kat, al deze filmpjes moeten ergens worden opgeslagen. Alsof dat nog niet genoeg is, wordt, zoals we sinds kort weten, door overheidsdiensten ook nog eens opgeslagen wie waar en wanneer naar al deze filmpjes kijkt. In 2010 werd de mondiale jaarlijkse informatieproductie geschat op 1200 exabytes (1200 · 260 bytes). En dat terwijl de totale productie in 2002 nog op 2 exabytes werd geschat [2]. Deze exponentiële toename komt niet doordat we als mensheid zo veel creatiever geworden zijn maar puur door de technologische vooruitgang die het opslaan van informatie zeer goedkoop heeft gemaakt. In mijn proefschrift bestudeer ik processen die een grote rol kunnen gaan spelen in de volgende generatie opslagmedia. Erik van der Bijl promoveerde begin 2014 op het proefschrift Spin currents and magnetization dynamics in multilayer systems. Momenteel werkt hij op de afdeling radiotherapie van het Antoni van Leeuwenhoek, waar hij zich bezighoudt met de planning van bestralingsplannen. Daarnaast is hij redactielid van het NTvN. [email protected] Nederlands Tijdschrift voor Natuurkunde Magnetische opslag Een groot deel van alle digitale informatie staat opgeslagen op harde schijven. Op een harde schijf is de informatie opgeslagen in een magnetisch materiaal. De nullen en enen worden gerepresenteerd door de oriëntatie van de magnetisatie. Bijvoorbeeld wanneer de magnetisatie in figuur 1 naar boven wijst, representeert zij een één en wanneer zij omlaag wijst een nul. Typische domeinen meten een paar honderd nanometer in de radiale richting van de schijf en tientallen nanometers in de leesrichting. De voordelen van harde schijven zijn dat informatie bewaard blijft wanneer het apparaat is uitgeschakeld en een hoge informatiedichtheid voor relatief lage kosten. De overgang tussen twee magnetische domeinen wordt een domeinwand genoemd. Het blijkt mogelijk te zijn om door middel van stroompulsen de domeinwanden door de magneet te bewegen [3, 4]. Dit verschijnsel zou in de toekomst kunnen leiden tot een geheugenmodule waarbij niet het magnetisch materiaal beweegt, zoals in een harde schijf, maar waarbij de domeinen en dus de informatie zelf met snelheden van 100 m/s door de magneet racen. Dit type geheugen is als racetrackgeheugen gepatenteerd door IBM. Het zou de voordelen van harde schijven combineren met lees- en schrijfsnelheden die aangetroffen worden in geheugens gebaseerd op april 2014 transistors en de kosten per opgeslagen bit nog verder verlagen. Spin transfer torque In mijn proefschrift laat ik zien dat de natuurkunde achter het racetrackgeheugen met een simpel model begrepen kan worden. In dit model wordt de magneet beschreven door twee deelsystemen: een magnetisatierichting die veroorzaakt wordt door gelokaliseerde elektronen en mobiele elektronen die voor de stroomgeleiding zorgen. De magnetisatie en het intrinsieke magnetisch moment van de mobiele elektronen zijn gekoppeld. Het gevolg van de koppeling is dat het systeem de laagste energie heeft wanneer de magnetisatie en het moment van de elektronen parallel zijn. Wanneer het moment van de elektronen niet parallel is aan de magnetisatierichting, zal het een precessiebeweging uitvoeren. Het intrinsieke magnetische moment van elektronen wordt veroorzaakt door hun spin; het intrinsieke impulsmoment van de elektronen. Door de koppeling van magnetisatie en elektronspin zal een elektrische stroom door een magneet gepolariseerd zijn, met de spinpolarisatie parallel aan de magnetisatie. Wanneer we nu een stroom door twee aangrenzende magnetische domeinen met verschillende magnetisatierichtingen beschouwen, dan verandert de spinpolarisatie van die stroom van parallel aan de magnetisatierichting van de eerste magneet richting van de magnenaar parallel aan die van tisatie. Het krachtmode tweede, zoals geïlment veroorzaakt door lustreerd in figuur 1. De deze component wordt veranderende spinpolaeen spin-orbit torque gerisatie betekent dat het noemd. spinimpulsmoment dat door de stroom wordt Symmetrie meegevoerd verandert. In mijn proefschrift laat Omdat het impulsmoik zien dat wanneer er ment van het totale zowel spin-baan-kopsysteem behouden is, peling als een positieFiguur 1 Illustratie van het voorgestelde racetrackgeheugen. Digitale volgt dat het impulsafhankelijke magnetiinformatie wordt gerepresenteerd door de richting van de magnetisatie. Door een stroompuls schuiven alle domeinwanden, en dus moment geassocieerd satierichting is, er veel de informatie, in dezelfde richting. Daaronder een uitvergroting met de magnetisatie een meer krachtmomenten van een domeinwand en een elektron met de lokale spinrichting even grote maar tegenop de magnetisatie en snelheid. De precessie van de spinrichting rond de lokale gestelde verandering werken dan alleen de magnetisatierichting leidt tot de loodrechte componenten die de spin transfer torques veroorzaken. Deze hebben tot gevolg dat de moet ondergaan. Deze bovengenoemde spin domeinwanden met de elektronen mee bewegen. verandering van impulstransfer torque en spinmoment betekent dat er orbit torque. Dit doe ik een krachtmoment op de magnetisatie menteel bestudeerd worden uit ver- op twee manieren, de eerste is door werkt. Dit krachtmoment – dat geïndu- schillende gestapelde laagjes. Wan- een analyse van de symmetrieën van ceerd wordt door een stroom – wordt neer de laagjes die het magnetische het systeem. De tweede manier is geeen spin transfer torque genoemd. laagje omringen van verschillende baseerd op een berekening aan de Op microscopische schaal wordt de materialen of dikte zijn, is de inversie- hand van het hierboven geïntroduspin transfer torque veroorzaakt door symmetrie in de richting van stapelen ceerde model. Hier zal ik de eerste de componenten van de spinpolarisatie gebroken. Een voorbeeld hiervan is methode toelichten. loodrecht op de richting van de mag- het systeem in figuur 2 dat bestaat uit We hebben gezien dat krachtmonetisatie. In een homogene magneet een stapeling van aluminiumoxide, menten geïnduceerd worden door wijzen de spins van alle elektronen ge- kobalt en platina. componenten van de spinpolarisatie middeld in de richting van de magne- Langs de as van de asymmetrie kan loodrecht op de magnetisatierichting. tisatie en dus zijn er geen loodrechte in deze materialen een elektrisch veld Wanneer er geen spin-baan-koppecomponenten en geen krachtmomen- bestaan. Voor de elektronen, die met ling is, zijn we bij de beschrijving van ten. De loodrechte componenten van een bepaalde snelheid door het mate- het systeem vrij om de richtingen van de polarisatie ontstaan wanneer de riaal bewegen, heeft dit veld een, door de magnetisatie en spins gezamenlijk magnetisatierichting verandert als inductie veroorzaakte, magnetische willekeurig te draaien ten opzichte functie van de positie. In figuur 1 is dit component. Dit magnetische veld van de coördinaten in ons laboratogeïllustreerd bij het tweede elektron koppelt aan de spinrichting van de rium. De relatieve oriëntatie van de van links. Een klein verschil tussen elektronen zoals ook de magnetisatie magnetisatie en spins verandert hierde spinrichting en de lokale magne- dat doet. Uit de details van de bereke- door niet waardoor de krachtmomentisatierichting leidt tot precessie om ningen volgt dat het door spin-baan- ten gelijk blijven. magnetisatierichting van de spin. Dit koppeling geïnduceerde magnetische Alle krachtmomenten die we voor heeft een loodrechte component van veld (gele pijlen in figuur 2) loodrecht dit systeem op grond van het bovende spinpolarisatie tot gevolg. staat zowel op de bewegingsrichting staande argument mogen opschrijvan de elektronen, als op de as waar- ven moeten dus onafhankelijk zijn Spin-baan-koppeling langs de symmetrie gebroken is. van onafhankelijke rotaties van de Naast de spin transfer torque is er in Spin-baan-koppeling kan dus geïn- laboratoriumcoördinaten en van de bepaalde systemen ook een kracht- terpreteerd worden als de koppeling magnetisatie- en spinrichtingen. Een moment op een homogene magneti- tussen de spin en een magnetisch veld aangelegd elektrisch veld E en de versatierichting waargenomen [5]. Een die afhangt van de snelheid van het andering van de magnetisatierichting ∇ m draaien met de coördinaten van mogelijke verklaring voor dit kracht- elektron. Wanneer een stroom door moment is een spinpolarisatie veroor- de magneet wordt aangelegd, is er een het laboratorium mee. Dit betekent zaakt door spin-baan-koppeling van netto-snelheid van de elektronen. Dit dat de enig mogelijke krachtmomende elektronen. leidt, door de bovengenoemde kop- ten die eerste orde zijn in de verandeSpin-baan-koppeling wordt in deze peling, tot een component van de ring van de magnetisatierichting en systemen veroorzaakt door het breken spinpolarisatie in de richting van het het elektrische veld gegeven worden van een inversiesymmetrie langs een door spin-baan-koppeling geïndu- door τ ∝ (E · ∇ )m + βm · (E · ∇ )m, bepaalde as. Dit wil zeggen dat het ceerde veld (gele stippellijn in figuur waar β een constante is die de versysteem er verschillend uitziet wan- 2). Wanneer het geïnduceerde veld en houding tussen deze twee krachtmoneer het wordt gespiegeld in het vlak de magnetisatierichting niet parallel menten bepaalt. Onafhankelijke roloodrecht op die as. Typisch bestaan zijn, resulteert dit in componenten taties laten de relatieve orientatie van de magnetische systemen die experi- van de spinpolarisatie loodrecht op de het elektrisch veld en de verandering april 2014 Nederlands Tijdschrift voor Natuurkunde 113 krachtmomenten bepaald worden. En daaruit weer het effect op de beweging van domeinwanden. De berekeningen laten zien dat de domeinwandsnelheid als functie van het elektrische veld kwalitatief behoorlijk kan verschillen. Dit is afhankelijk van de relatieve sterkte van alle door ons voorspelde krachtmomenten. Het is nu wachten op metingen die uitsluitsel kunnen geven welke combinatie van krachtmomenten de stroomgeïnduceerde beweging van de domeinwand het beste beschrijft. Toepassing Figuur 2 Links een systeem waar het magnetische kobalt tussen laagjes platina en aluminiumoxide zit. De blauwe pijlen geven de magnetisatierichting weer. Een spiegeling langs de z-as laat duidelijk zien dat de symmetrie gebroken is. Dit zorgt voor een magnetisch veld geïnduceerd door de spin-baan-koppeling, geïllustreerd door de gele pijl, loodrecht op de richting van symmetriebreking en bewegingsrichting. De spinpolarisatie wijst in de richting van het gecombineerde veld van de magnetisatie en het veld dat is ontstaan door de spin-baan-koppeling. Het gevolg is een loodrechte component van de spinpolarisatie die voor een krachtmoment zorgt. 114 van de magnetisatierichting ongewijzigd en de krachtmomenten roteren zo hetzelfde als de magnetisatie onafhankelijk van de geometrie van het substraat en de stroomrichting. Dit zijn de reactieve en dissipatieve spin transfer torques. Het dissipatieve krachtmoment, dat evenredig met β is in bovenstaande vergelijking, kan ook met het in de voorafgaande secties geïntroduceerde model gevonden worden. Naast de precessiebeweging moet dan ook de relaxatie naar de magnetisatierichting worden toegevoegd aan de bewegingsvergelijking van de spin. De magnetische energie gaat dan verloren in bijvoorbeeld roostervibraties. Extra mogelijkheden Als er spin-baan-koppeling is, hebben we niet meer de vrijheid om de magnetisatie en spinrichtingen onafhankelijk van ons laboratorium te draaien. Dit komt doordat de geïnduceerde spinpolarisatie niet langer alleen gekoppeld is aan de magnetisatierichting maar ook expliciet aan de bewegingsrichting van de elektronen, zie figuur 2. Daarom moet een draaiing van magnetisatie- en spinrichtingen in dit geval altijd gecombineerd worden met een gelijke draaiing van het assenstelsel in het laboratorium. De eisen aan de mogelijke krachtmomenten zijn nu veel minder strict, omdat ze alleen onder een totale rotatie van het systeem gelijk moeten Nederlands Tijdschrift voor Natuurkunde blijven. Wanneer de magnetisatierichting niet positieafhankelijk is, zijn er twee mogelijke krachtmomenten die lineair in het elektrisch veld en de sterkte van de spin-baan koppeling zijn. Deze worden gegeven door τ ∝ m · (E · z) + β’m · (E · z) · m, waar z de as van symmetriebreking is en een constante is die de verhouding tussen de reactieve en dissipatieve spin-orbit torques weergeeft. Deze krachtmomenten waren al bekend. Maar wanneer er naast spinbaan-koppeling ook een positieafhankelijke magnetisatie is, dan vinden we in de eerste orde van de sterkte van de spin-baan-koppeling al veertien extra mogelijke krachtmomenten naast de vier krachtmomenten die hierboven beschreven zijn. Deze krachtmomenten hangen af van het elektrische veld, de verandering van de magnetisatie en de richting van symmetriebreking. Ook voor al deze extra krachtmomenten geldt dat ze in paren van reactieve en dissipatieve krachtmomenten voorkomen. Deze paren worden steeds gevormd door een toegestaan krachtmoment en het vectorproduct tussen dit krachtmoment en de magnetisatierichting. De relatieve sterkte van alle krachtmomenten kan niet door middel van symmetrie-overwegingen bepaald worden. Uit berekeningen aan de hand van het model van magnetisatierichting gekoppeld aan de spin van de elektronen kan de sterkte van de april 2014 Om de domeinwanden door de magnetische draden te laten racen zijn behoorlijke stroomdichtheden nodig. Deze zijn zo groot dat zelfs op nanoschaal de draden behoorlijk verhit worden door Ohmse dissipatie. Daarom hebben we ook het effect van temperatuurgradiënten op de krachtmomenten bestudeerd. Het blijkt een behoorlijke uitdaging om thermische effecten in systemen met spin-baan-koppeling uit te rekenen. Wanneer we de lineaire respons van een systeem willen uitrekenen als functie van een temperatuurgradiënt lopen we tegen een term aan die zich onfysisch gedraagt. In de limiet dat de temperatuur naar nul gaat zou er een oneindig krachtmoment zijn en thermisch geïnduceerde stroom gaan lopen. In mijn proefschrift bestudeer ik de oorsprong van deze term en laat ik zien hoe de berekening hersteld kan worden. Het is spannend of de extra krachtmomenten experimenteel aangetoond kunnen worden en of het racetrackgeheugen de geheugentechnologie van de toekomst gaat worden. Referenties 1 www.youtube.com/yt/press/statistics. html. 2 Special report: Managing Information, The Economist, februari 2010. 3 J.C. Slonczewski, Current-driven excitation of magnetic multilayers. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 159, L1 (1996). 4 L. Berger, Emission of spin waves by a magnetic multilayer traversed by a current, Phys. Rev. B 54, 9353 (1996). 5 I.M. Miron et.al., Perpendicular switching of a single ferromagnetic layer induced by in-plane current injection, Nature 476, 189 (2011). Boekbespreking Gevonden! Hoe het Higgs-deeltje onze wereld veranderde G evonden! is een uitvoerig, leesbaar en verzorgd populariserend boek over het higgsdeeltje. Een eerder te recenseren boek over hetzelfde onderwerp bleek slecht vertaald uit het Engels en daardoor vrijwel onleesbaar – een vaak voorkomend euvel bij populair-wetenschappelijke boeken. Steven Stroeykens, de auteur van Gevonden!, is natuurkundige, wetenschapsjournalist en hoofd van de wetenschapsredactie van de Vlaamse krant De Standaard. En dat blijkt uit zijn deskundige boek, dat op originele wijze de achtergrond en de ontdekking van het higgsdeeltje beschrijft in bijzonder fris Nederlands, met vele verhelderende vergelijkingen en ironische terzijdes. Zo staan de fysici van CERN met hun detectoren als ramptoeristen klaar bij de frontale botsingen van protonen, zijn bosonen kuddedieren, maar fermionen einzelgängers. Ook in het Standaardmodel, geen elegante theorie, hangt de sterke interactie er maar wat bij zoals de koterijen aan de achterkant van Vlaamse huizen. Interessant aan het boek is de Belgische invalshoek, zodat uitgebreid aandacht wordt besteed aan de achtergrond en prioriteit van de Belgen Robert Brout en François Englert, die door de auteur werden geïnterviewd. Zij publiceerden in 1964 eerder dan Peter Higgs, maar Steven Weinberg koos voor de naam higgsdeeltje. Stroeykens wisselt deze benaming af met BEH-boson. Zijn boek kwam overigens uit voor de Nobelprijs aan Higgs en Englert werd toegekend. Naast het geschiedverhaal wordt parallel in 22 etappes de Tocht van de quark gevolgd: de avonturen van een elementair deeltje in de LHC-versneller, van de waterstoffles waaruit een proton wordt geïoniseerd tot eindelijk even een higgsboson opduikt en ten slotte een overblijvend muon de detector verlaat, de bodem van Genève in. Het boek eindigt met beschouwingen over het nut van fundamenteel onderzoek, de “fysica voorbij het standaardmodel” en de combinatie van het Standaardmodel met supersymmetrie. In dat geval moeten er nog heel wat voorspelde supersymmetrische partnerdeeltjes ontdekt worden. Aardig zijn ook de bijlages over onder meer renormalisatie en een beredeneerde lijst van bronnen Dit boek biedt de maximale uitleg van wat eigenlijk niet is uit te leggen aan niet-natuurkundigen en lijkt me een voorbeeld voor wie natuurkunde wil populariseren. Hans Muller Gevonden! Hoe het Higgs-deeltje onze wereld veranderde Steven Stroeykens Bezige Bij Antwerpen, 2013 ISBN 9789085424697 304 bladzijden € 19,99 Heeft u ook een boek gelezen dat interessant is voor de lezers van het NTvN? En wilt u hierover een recensie schrijven? Neem dan contact op met de redactie ([email protected]). 116 zie het als... werken aan de toekomst tmc Physics heeft de ambitie oplossingen voor haar klanten te bedenken die competitief voordeel bieden. Fysica en natuurkundige vraagstukken zijn de passie, de oplossingen zijn de drijfveer. www.tmc.nl Nederlands Tijdschrift voor Natuurkunde april 2014 ‘t vrije veld ‘t Vrije veld is een nieuwe rubriek geinspireerd door Minnaert waarin aandacht wordt besteed aan alledaagse fysische fenomenen. Bijdragen en vragen over waarnemingen zijn welkom. Treinreizen met kompas M innaert hield van waarnemingen in de trein. Daar is ook nu nog alle reden toe want de spoorwegen zijn feitelijk het grootste natuurkundige attractiepark van Nederland. Dagelijks beleven een miljoen bezoekers er een magnetisch avontuur, maar weinigen zijn zich daarvan bewust. Wie nieuwsgierig is naar het magneetveld van de trein kan een ouderwets kompas gebruiken, maar tegenwoordig is het makkelijker met een smartphone met magneetveldsensor. Als de trein van een station vertrekt dan verbruikt deze stroom, en de stroomlus genereert een magneetveld. De stroom komt vanaf onderstations (een transformatorhuis ergens langs het spoor) door de bovenleiding naar de trein en keert via de rails terug naar die onderstations. Er zijn twee stroomlussen actief, de ene voor de trein en de andere erachter. Hun stroomrichting en magneetveld zijn tegengesteld. De voorkant van de trein, voor de pantograaf (= stroomopnemer), zit in de voorste lus, de achterkant in de achterste. Hoe zou het magneetveld eruit zien op bijvoorbeeld het traject Amsterdam-Utrecht? Zie figuur 2. Links de heenreis, rechts de terugreis. Blauw is voorin de trein gemeten (met een Samsung Galaxy S4 en de app Sensor Insider), rood achterin. Blauw en rood zijn niet dezelfde reis. Onderaan de snelheidscurve, gemeten met gps, bovenaan de sterkte van het magneetveld in de richting dwars op de rijrichting. In de eerste minuut waarin de trein optrekt is de stroom het grootst en het magneetveld het sterkst. De positieve helling van de blauwe signalen betekent dat de stroom in de voorste lus toeneemt. Dat komt doordat de elektrische weerstand van de bovenleiding afneemt naarmate het onderstation dichterbij komt. Op dit traject is een aantal onderstations herkenbaar aan het magneetveld. Kort voor aankomst op het eindstation is er een omkering Figuur 1 Een trein. 117 Figuur 2 Magneetveld tijdens treinreis Amsterdam - Utrecht (links heen, rechts terug). Blauw is voorin de trein gemeten, rood achterin. Detail: de rode curve vertoont een stop voor Utrecht. van het magneetveld te zien. De machinist heeft blijkbaar afgeremd op de motor en hij heeft stroom teruggeleverd aan het net. Wat kunnen treinreizigers hiermee? Voortaan bij het verlaten van de trein naar de machinist zwaaien als hij weer stroom teruggeleverd heeft aan het net! Hans Bot Referentie 1 http://preview.tinyurl.com/treinB. Hans Bot studeerde natuurkunde in Amsterdam (UvA). Hij promoveerde in 1989 op een onderzoek naar stromingspatronen van bloed. Hij werkte op een softwareontwikkelafdeling van Deloitte en is nu natuurkundedocent op een middelbare school. [email protected] april 2014 Nederlands Tijdschrift voor Natuurkunde Interview Opinie Biofysisch onderzoek aan populatiegolven Interview met David Nelson David Nelson was een van de hoofdsprekers tijdens Physics@FOM Veldhoven afgelopen januari. Opgeleid als theoretisch fysicus raakte Nelson eind jaren negentig sterk geïnteresseerd in biologische problemen. In zijn lezing [1] vertelde hij over zijn onderzoek naar het simuleren van populatiegolven in de evolutionaire geschiedenis. 118 D avid Nelson werd ruim 62 jaar geleden geboren in Stuttgard waar zijn vader gestationeerd was als legerofficier. Zijn opleiding in de theoretische fysica volgde Nelson aan Cornell University. Na zijn promotie eveneens aan Cornell vervolgde hij zijn loopbaan aan Harvard waar hij nu nog steeds werkt. Zijn interessegebied is inmiddels wel verschoven. De eerste twintig jaar onderzocht hij theoretische problemen binnen de gecondenseerde materie zoals vloeibare kristallen, polymeren en hogetemperatuursupergeleiders. In het bgein van zijn carrière voorspelde Nelson samen met Bertrand Halperin een vierde toestand van materie. Nelson: “We worden vaak geleerd dat materie drie toe- Marieke de Boer standen kan hebben: vast, vloeibaar en gas. Samen met professor Halperin heb ik destijds aangetoond dat er onder bepaalde omstandigheden, in twee dimensies, ook een vierde toestand mogelijk is genaamd de hexatische fase.” Inmiddels is deze toestand aangetoond in experimenten met dunne films en vloeibare kristallen. Sinds een jaar of vijftien doet Nelson ook onderzoek aan biologische onderwerpen. “Aan het einde van de vorige eeuw werd het mij duidelijk dat er binnen de biologie allerlei interessante ontwikkelingen waren. Het hele veld veranderde vanwege mooie ontdekkingen zoals die van RNA. Toen ik voorzitter was van het natuurkundedepartement volgde ik stiekem een cursus biologie aan het MIT. Daar genoot ik erg van en zo ben ik in de biologie gerold. Mijn onderzoek speelt zich nog steeds voor een deel af binnen de theoretische fysica, maar ik doe ook de dingen die je in mijn lezing hoorde [1]. Ik heb een gedeelde aanstelling, voor de helft in de natuurkunde en voor de andere helft aan het departement voor moleculaire en cellulaire biologie.” Figuur 1 Illustratie gemaakt met Google Ngram Viewer. In deze applicatie worden miljoenen boeken die Google gedigitaliseerd heeft doorzocht op ingegeven zoektermen. In dit geval is blauw DNA, groen natuurkunde en rood biologie. U bent vaak in Nederland geweest, in 2006 was u Lorentz visiting professor in Leiden en in 2010 bekleedde u het Kavli lectureship in Nederlands Tijdschrift voor Natuurkunde april 2014 Wanneer raakte u geïnteresseerd in natuurkunde? “Op de middelbare school. Helaas werd er niet echt natuurkunde gegeven, maar tijdens mijn laatste jaar op school kreeg ik van mijn moeder een natuurkundestudieboek. Ik had genoeg wiskundekennis om het te begrijpen en ik vond het geweldig. Ik ben van de Spoetnik-generatie, ik weet nog dat mijn vader de satelliet aanwees aan de hemel. De Verenigde Staten besteedden toen veel aandacht aan wis- en natuurkunde, dus daar had ik veel profijt van toen ik in 1969, twaalf jaar na Spoetnik, ging studeren.” Figuur 2 David Nelson tijdens zijn lezing in Veldhoven. Foto: Bram Saeys/FOM. Delft. Wat vindt u van het natuurkundig onderzoek in Nederland? “It’s outstanding! In mijn lezing had ik het over Christiaan Huygens, maar er zijn zo veel bekende Nederlandse wetenschappers zoals Leeuwenhoek die de microscoop uitvond, maar ook astronomen. En nu nog steeds zijn er veel goede wetenschappers. Ik ken de exacte getallen niet, maar het lijkt mij dat Nederland een van de hoogste ratio’s heeft van uitmuntende wetenschappers. Ik heb het hier altijd erg naar mijn zin. Vooral mijn tijd als Lorentz professor aan de Universiteit Leiden was erg aangenaam omdat ik twee à drie maanden kon doorbrengen in een mooie stad en overal kon fietsen. Dat was geweldig.” Is er een verschil tussen het onderzoek in Europa en de Verenigde Staten? “In Noord-Europa, waar ik Nederland, Scandinavië en Duitsland toe reken, zien we goede wetenschap maar ook goede funding. Het lijkt erop dat de waardering voor wetenschap van hoog niveau hier uitstekend is. En de voorzieningen zijn ook geweldig. In de Verenigde Staten zijn de voorzieningen ook goed, maar omgerekend per hoofd van de bevolking is het minder. Wetenschappelijk en intellectueel gezien zijn de Verenigde Staten sterk en we hebben een mooie traditie, ik wil zeker niet kwaadspreken, maar we kijken met bewondering naar jullie funding.” In zijn lezing heeft Nelson het over een stelling die toegeschreven wordt aan Bill Clinton maar eigenlijk van zijn vrouw Hillary is. Hierin beweert Clinton dat de afgelopen eeuw de eeuw van de natuurkunde was en de komende eeuw de eeuw van de biologie wordt. Aan de hand van verschillende zoektermen in Google Ngram Viewer (zie figuur 1) laat Nelson echter zien dat natuurkunde en biologie elkaar niet zo veel ontlopen, maar dat DNA momenteel veel populairder is. In uw lezing zei u dat de 21e eeuw misschien de eeuw van het DNA wordt. Zou u mensen adviseren om in die richting onderzoek te gaan doen? “Mijn advies aan jonge mensen zou zijn om datgene te gaan doen wat je spannend vindt. Kies niet iets omdat het in de mode is of omdat het een baan oplevert. Als je jong bent moet je je hart volgen.” Het onderzoek waar David Nelson in zijn lezing op Physics@FOM Velhoven over praat is geïnspireerd door de out-of-Africa-hypothese. Hierbij wordt verondersteld dat de mens zich vanuit Afrika heeft verspreid naar de andere continenten. Aan de hand van onderzoek naar de groei en verspreiding van bacteriën willen Nelson en zijn col- lega’s proberen de verspreiding van de mens en andere dieren beter te begrijpen. Er wordt vooral gekeken hoe een populatie zich voortbeweegt en hoe de genensamenstelling verandert wanneer een zich verspreidende populatie (tijdelijk) deels wordt gescheiden door een obstakel zoals een berg of een meer. Hiervoor worden onder andere bacteriën met verschillende kleurgemarkeerde genen gebruikt die zich verspreiden richting en om een barrière. Ook worden er simulaties uitgevoerd (zie figuur 4). Speciaal voor deze lezing in Nederland kijkt Nelson of hij het principe van Christiaan Huygens kan gebruiken om de uitkomsten te analyseren. Hierbij ziet hij de bacteriepopulatie als een golf met een golffront. Aan de hand van de brekingshoek kan hij zo bepalen wat de voorouders zijn van de bacteriën die zich aan het front bevinden. Het onderzoek toont aan dat obstakels de genetische diversiteit in populaties verminderen. Ook laat het zien dat er eerst een knik in het golffront te zien is wanneer een populatie zich rond een obstakel beweegt, maar dat deze geleidelijk weer verdwijnt. Het onderzoek dat u beschreef in uw lezing wordt gedaan aan bacteriën. U wilt aan de hand van dit onderzoek uitspraken doen over de verspreiding van de mens vanuit Afrika. Maar er is wel een verschil, bacte- april 2014 Nederlands Tijdschrift voor Natuurkunde 119 Figuur 3 David Nelson tijdens een masterclass in Veldhoven. Foto: Bram Saeys/FOM. 120 Figuur 4 Screenshot van de lezing van David Nelson op YouTube. Links zijn de patronen van gekleurde bacteriën te zien, rechts een simulatie met verschillende kleuren die van onder naar boven langs een rond vierkant obstakel gaan. riën klonen en bij mensen is er sprake van seksuele voortplanting. “Bacteriën zijn haploïd (in de celkern is van elk chromosoom één exemplaar aanwezig, red.) en vermenigvuldigen zich door middel van celdeling. Maar mitochondriën (‘orgaan’ in een cel dat de cel van energie voorziet, red.) zijn ontstaan uit bacteriën en zijn ook haploïd. Mitochondriën worden gebruikt voor fingerprinting bij mensen en dan lijkt het heel vanzelfsprekend om voor ons onderzoek bacteriën te gebruiken. Nederlands Tijdschrift voor Natuurkunde Maar kunnen we in het laboratorium ook het verspreiden van populaties en ruimtelijke populatiegenetica onderzoeken met seks oftewel recombinatie? Ik denk dat dat mogelijk is, gist bijvoorbeeld kan zich seksueel voortplanten en ook bacteriën hebben wel een vorm van seks. We hebben nog geen diploïde organismen gebruikt in het onderzoek, maar ik denk dat dat in de toekomst zeker mogelijk is.” Wat zijn uw plannen voor de toekomst? “Ik werk samen met een collega aan april 2014 de TU Eindhoven, Federico Toschi. In de toekomst hoop ik met zijn hulp onderzoek te doen aan populatiegolven, het mixen van populaties en ruimtelijke populatiegenetica in de oceaan. Een andere reden waarom ik graag in Nederland kom is dat jullie erg sterk zijn in oceanografie en mariene wetenschappen. Het leven op aarde was nooit alleen op het land. Het is waarschijnlijk ontstaan in water. Federico Toschi is een expert in turbulentie. De vraag is hoe oceanische turbulentie Darwiniaanse evolutie heeft beïnvloed. Het blijkt dat er bij oceanische turbulenties veel draaikolken betrokken zijn in verschillende groottes en op verschillende tijdschalen. De kleinste bestaan een paar minuten, de grootste kunnen weken tot maanden bestaan. Micro-organismen zoals cyanobacteriën en fytoplankton leven vlak bij het wateroppervlak en hebben een celdelingstijd van acht tot twaalf uur. Dat is precies in het midden van de cascade aan tijdschalen van de draaikolken. Dat vind ik heel fascinerend. Ik hoop dit in de toekomst nader te kunnen onderzoeken.” Referentie 1 De lezing van David Nelson is terug te kijken op YouTube: www.youtube.com/ watch?v=tlLvmzJVWj8&feature=youtu. be. Loopbaan De journalist Herbert Blankesteijn studeerde natuurkunde in Utrecht en werd daarna freelance journalist voor diverse media. Waarom ging je natuurkunde studeren? Ik ben altijd goed geweest in bètavakken, heb altijd belangstelling gehad voor wetenschap. Ik ben lang van plan geweest scheikunde te gaan doen. Op de valreep heb ik gekozen voor natuurkunde mede omdat dat dichter lag bij mijn grote liefde op de lagere school namelijk de sterrenkunde. Wat vond je speciaal tijdens je studie-/promotietijd? De ontdekking dat er in Utrecht, waar ik studeerde, een hoofdrichting Grondslagen van de Natuurkunde bestond. Halverwege mijn studie kreeg ik in de gaten dat ik niet in de wieg gelegd was voor theoretische of experimentele natuurkunde, en gelukkig was er een derde mogelijkheid die beter paste bij mijn ontluikende belangstelling voor schrijven en journalistiek. Met bijvakken als Natuurkunde en Samenleving, Meteorologie en Geschiedenis der Natuurwetenschappen had ik zo een soort alfapakket binnen een betastudie :-). Waarom koos je voor je eerste baan? Het was crisis in 1982 en bij elke sollicitatie in de journalistiek was ik een van de honderden kandidaten. Zonder relevante opleiding of ervaring had ik slechte papieren. Maar als freelance specialist in wetenschappelijke onderwerpen lag ik goed in de markt. Na een stage bij de NOS had ik een redelijk netwerk en kozen de banen mij: althans regelmatige opdrachten van omroepen, kranten en tijdschriften. Wat gebeurde daarna? Banen in de gebruikelijke zin heb ik als freelancer dus nooit gehad. Wel functies. In VPRO’s Het Gebouw heb ik rond 1990 een rubriek over wetenschap gepresenteerd. In NRC Handelsblad heb ik sinds 1990 columns en redactionele artikelen geschreven en Deze foto is gemaakt toen Herbert Blankesteijn een proefrit mocht maken in de Tesla. Fotograaf: Bert Boeschoten. heb ik rubrieken gevuld over techniek en internetvideo’s. Bij Het Klokhuis was ik tien jaar lang regisseur van items over wetenschap en techniek. Ik heb daar onderwerpen gefilmd van uitstervende huisdierrassen tot het opblazen van flatgebouwen. En rond 2000 was ik mede verantwoordelijk voor computercursussen van Teleac, waar ik presentator was en de cursusboeken schreef. Wat zijn je belangrijkste werkzaamheden en voel je je nog natuurkundige in je huidige werk? Nu: verslag doen van ontwikkelingen in de ict voor BNR Nieuwsradio en schrijven over technologie in NRC. Van huishoudrobots tot chiptechnologie en van serious gaming tot big data, bijvoorbeeld in de wetenschap. Verder bijvoorbeeld het recenseren van video’s over techniek voor De Ingenieur. Daarbij voel ik me nauwelijks meer natuurkundige, meer journalist met een specifieke belangstelling. Zonder de studie natuurkunde zou ik vermoedelijk niet zijn gekomen waar ik nu ben, maar de kennis die ik daarbij heb opgedaan is nu zelden meer relevant. Wat is fascinerend aan je huidige werk? Er zijn uiterst belangrijke ontwikkelingen aan de gang in de manier waarop mensen met elkaar communiceren (sociale media), de manier waarop bedrijven zaken doen met de consument (zoals online kopen) en de manier waarop overheden omgaan met burgers en bedrijven (denk aan de grijpgrage handen van de geheime diensten en andere privacykwesties). In al die gebeurtenissen speelt technologie een hoofdrol en mag ik op de eerste rij zitten. Zou je – terugkijkend – opnieuw voor dezelfde studie kiezen? Waarom? Dat is een heel goede vraag. Omdat ik toch nog een beetje wetenschapper ben, zeg ik: ik zou het experiment wel eens willen doen. Ik zou wel eens opnieuw willen beginnen en dan bijvoorbeeld niet natuurkunde studeren maar naar de School voor Journalistiek. Maar tegen beginnende collega’s hoor ik mezelf vaak zeggen: voor je journalist wordt, kun je beter eerst een vak leren. Desnoods economie. april 2014 Nederlands Tijdschrift voor Natuurkunde 121 Een gevoelig oor voor neutrino’s Sinds de ontdekking van kosmische straling zijn veel verschillende detectoren ontwikkeld om dit fenomeen te onderzoeken. Nieuw in het rijtje is de optische hydrofoonsensor, waarmee naar hoogenergetische neutrino’s gespeurd kan worden. E.J. Buis, E.J.J. Doppenberg, D. van Eijk, R.A. Nieuwland en P.M. Toet H 122 et onderzoek aan kosmische straling heeft een hoog Jules Vernegehalte. In 1912 stapte de Oostenrijkse wetenschapper Viktor Hess in een heteluchtballon om de intensiteit van de achtergrondstraling te meten als functie van de hoogte van de ballon. Deze metingen toonden dat de intensiteit van de radioactieve straling toeneemt met de hoogte en leidde tot de conclusie dat de oorsprong van de straling buiten onze aarde moest liggen. Na Hess zijn er nog vele onderzoekers geweest die deze metingen hebben herhaald en er werd getracht om de metingen op steeds grotere hoogte uit te voeren. Het letterlijke toppunt moest de poging worden van de heren Schrenk en Masuch. Ze planden een ballonvlucht in 1934 waarbij de ballon met 10.000 m3 waterstof gevuld werd en een hoogte moest bereiken van 12.000 m. De payload van de ballon bevatte naast een elektroscoop ook zuurstofmaskers om het werk op grote hoogte mogelijk te maken. Helaas verongelukten de twee heren, waarschijnlijk door een fout in de beademingsapparatuur [1]. Veel manieren voor neutrinodetectie Waar de apparatuur van Hess – een simpele elektroscoop – nog eenvoudig was, is er in de honderd jaar sinds de eerste metingen een breed palet van technologieën ontwikkeld voor het onderzoek aan kosmische straling. Apparatuur om kosmische straling te meten vindt men inmiddels op de meest exotische plekken op aarde: op de Argentijnse pampa, in de woestijn van Namibië, in het ijs van de Zuidpool en astronauten hebben zelfs een complex detectorsysteem aan het International Space Station gehangen. Daarnaast wordt op dit moment hard gewerkt aan een grootschalig ex- periment gebaseerd op lichtgevoelige sensoren in de Middellandse Zee, genaamd KM3NeT. Wetenschappers van het Nikhef in Amsterdam spelen een prominente rol in het ontwerp en de bouw van dit experiment [2]. Het energiespectrum van de kosmische straling blijkt een hooiberg met vele spelden. Sommige experimenten zijn gespecialiseerd in het zoeken naar donkere materie, andere hebben met succes aangetoond dat (zonne)neutrino’s inderdaad massa hebben. In dit artikel richten we ons op het detecteren van neutrino’s met de allerhoogst denkbare en meetbare energie, in de orde van 1018 eV. Omdat het heelal gevuld is met infraroodstraling, afkomstig van de oerknal, is het ondoordringbaar voor protonen en ionen met deze energie. Extreem hoogenergetische neutrino’s worden in tegenstelling tot protonen niet of nauwelijks gestopt. Ze wijzen ons dus direct naar (onbekende) bronnen buiten ons Melkwegstelsel. Het grote probleem met neutrino’s is dat ze moeilijk te detecteren zijn en vooral dat de verwachte flux erg laag is. De vraag is nu hoe men een zo groot mogelijke detector kan realiseren. In dit artikel gaan we in op de mogelijkheid van een akoestisch detectiesysteem. Het geluid van neutrino’s onder water Figuur 1 Foto van een mechanische sensor waarop een fiberlaser verlijmd is. Het potlood geeft een indicatie van de grootte van de sensor. Nederlands Tijdschrift voor Natuurkunde april 2014 Wanneer hoogenergetische neutrino’s hun energie verliezen in water zal dat water lokaal iets opwarmen. Figuur 2 Akoestisch geïsoleerd bassin dat gebruikt is tijdens de karakterisatie van de hydrofoons. Dat leidt tot een thermische expansie en een drukgolfje dat in principe te meten is met een hydrofoon. Dit thermo-akoestische detectieprincipe is al in het begin van de jaren 1960 door de Sovjetgeleerde Gurgen Askayaran onderzocht en het effect werd in de jaren zeventig ook gemeten door Sulak [3,4]. Hiertoe werd een bundel protonen van versnellers in Brookhaven en Harvard in een grote waterbak geleid. Het signaal van de vele protonen die hun energie verloren werd inderdaad met behulp van hydrofoons geregistreerd. Het signaal dat verwacht kan worden als een hoogenergetisch neutrino zijn energie verliest in water is uitermate laag. Het drukgolfje zal een verwachte amplitude hebben van slechts 1 tot 100 mPa [5]. Hydrofoons die dat kunnen meten, moeten net zo’n gevoeligheid hebben als het oor van een orka of dolfijn. Daarentegen is het voordeel van onderwaterakoestiek dat het signaal nauwelijks geabsorbeerd wordt. Een akoestisch signaal kan dus op een afstand van een kilometer nog te detecteren zijn. Daarom is het mogelijk om in de diepzee een grote experimentele opstelling (enkele kubieke kilometers) te maken met een relatief klein aantal detectoren. Een opstelling van dergelijke afmetingen is no- dig omdat de flux van neutrino’s met de allerhoogste energieën uiterst laag is. Met een detectievolume van enkele kubieke kilometers zal er maar een handvol neutrino’s per jaar geobserveerd kunnen worden. Luisteren naar neutrino’s: optische hydrofoonsensor Bij sensoren denkt men veelal direct aan elektrische sensoren. In de afgelopen jaren heeft er echter veel ontwikkeling plaatsgevonden op het gebied van optische sensoriek. Voor vele fysische parameters als rek, temperatuur, druk, versnelling enzovoorts zijn er optische alternatieven. Binnen TNO worden sensoren ontwikkeld waarbij een glasvezel gebruikt wordt om deze parameters te meten. Met behulp van verschillende eigenschappen (bijvoorbeeld golflengte en amplitude) van het licht binnen in de glasvezel kunnen fysische parameters buiten de glasvezel gemeten worden. Het gebruik van optische glasvezelsensoren heeft verschillende voordelen: 1.klein en lichtgewicht, 2.geen elektriciteit nodig op de meetlocatie, 3.multiplexmogelijkheden (meerdere sensoren op één glasvezel) over grote afstanden. Optische glasvezelsensoren kun- nen gebaseerd zijn op verschillende technieken. De meest voorkomende technologie is een Fiber Bragg Grating (FBG). Een FBG is een tralie die in de kern van de glasvezel (9 µm diameter) gemaakt is over een lengte van enkele millimeters. De belangrijkste eigenschap van deze grating is dat het selectief licht reflecteert van een bepaalde golflengte die overeenkomt met de tralieconstante. Door stuik of rek aan te brengen ter plekke van de grating zal de tralieconstante en dus de gereflecteerde golflengte veranderen. Door de golflengte van het licht nauwkeurig te meten kan de rek (of stuik) op de glasvezel bepaald worden. Voor een optische hydrofoon is een mechanische sensor ontwikkeld die de inkomende drukgolven in water omzet in een rekverandering op de FBG-sensor. De gemeten golflengteverschuiving is een maat voor het geluidsniveau dat de sensor ondervindt. Een foto van de ontwikkelde sensor is te zien in figuur 1. Het minimaal detecteerbare geluidsniveau wordt bepaald door de mechanische koppeling tussen het opvangen van geluidsgolven en het overbrengen naar rek op de glasvezel. Daarnaast is de technologie waarmee de golflengte gemeten kan worden een belangrijke parameter. Hoe nauwkeuriger deze april 2014 Nederlands Tijdschrift voor Natuurkunde 123 p (mPa) FOH 50 0 p (mPa) -50 B&K 8101 50 0 -50 1,04 1,06 1,08 1,10 1,12 1,14 1,16 1,18 1,20 t (s) Figuur 3 Akoestische pulsjes gemeten door een fiberlaserhydrofoon (boven) en een B&K hydrofoon (onder). 124 golflengteverschuiving gemeten kan worden, hoe lager de te detecteren geluidniveaus zijn. De ultieme detectiemethode om minieme golflengteverschuivingen te meten maakt gebruik van interferentie. In een interferometer worden kleine golflengteverschuivingen ten gevolge van de drukgolf omgezet in intensiteitsvariaties op een fotogevoelige detector. Met behulp van deze technologie kan een golflengteverschuiving van ongeveer 0,1 femtometer gemeten worden, wat overeenkomt met 0,1 nanostrain oftewel 0,1-miljardste meter (= 10-10 m) verlenging van de glasvezel over 1 me- ter lengte. Dit getal klinkt erg klein, maar is nog niet genoeg om de akoestische signatuur van een neutrino te kunnen detecteren. Om dit te verbeteren is een hydrofoon ontwikkeld die gebruikt maakt van een next-generation FBG, de fiberlaser. In dit geval is een FBG gemaakt in een speciale fiber, gedoteerd met een optisch actief materiaal, vergelijkbaar met het actieve medium in lasertechnologie. Door gebruik te maken van deze componenten ontstaat er een coherente laser binnen de glasvezel waarbij de emissiegolflengte van de laser afhankelijk is van de rek op de glasvezel. De smal- Het werk aan de hydrofoons wordt uitgevoerd op TNO (afdeling optica) door mensen met zeer uiteenlopende expertise. Vlnr.: Remco Nieuwland is optisch ingenieur en expert op het gebied van optische fibers. Daan van Eijk is recentelijk gepromoveerd als hoge-energiefysicus en sinds 2013 verbonden aan TNO. Ernst-Jan Buis is gepromoveerd in de hoge-energiefysica, maar werkte de laatste tien jaar voornamelijk aan ruimtevaartinstrumentatie. Optisch ingenieur Peter Toet heeft naast optische fiberhydrofoons ook vele andere toepassingen van optische fiberinstrumentatie ontwikkeld. Ed Doppenberg is expert op het gebied van akoestiek en signal processing. [email protected] Nederlands Tijdschrift voor Natuurkunde april 2014 bandige emissiepiek van de fiberlaser staat in schril contrast met de breedbandige reflectiepiek van de FBG. Golflengteverschuivingen zijn hierdoor nog veel nauwkeuriger te meten. De minimale golflengteverschuiving die gemeten kan worden is honderdmaal kleiner ten opzichte van een FBG tot ongeveer 1 attometer (10-18 m), wat overeenkomt met 1 picostrain (10-12 m verlenging over 1 meter). De combinatie van een gevoelig meetsysteem en een gevoelige sensor die de minimale druk omzet in een rek op de glasvezel geeft een systeem dat toepasbaar is voor akoestische neutrinodetectie. Het ruisniveau van meetsystemen die in zee gebruikt worden voor akoestische detectie wordt uitgedrukt in zogenaamde sea states. Het ruisniveau hangt samen met het weer aan het wateroppervlak. Wind- en golfhoogte blijken gerelateerd te zijn aan het ruisniveau dat in de diepte te meten is. Deze conclusie is reeds getrokken door de Deen Knudsen, die in de jaren 1940 al vele studies aan het onderwerp wijdde [6]. Bij windstil weer aan het wateroppervlak blijkt er nog steeds een achtergrondruis aanwezig te zijn. Deze toestand wordt sea state zero genoemd. Akoestische signalen die lager zijn dan dit achtergrondniveau kunnen nooit gemeten worden omdat ze overschaduwd worden door ruis. De fiberoptische hydrofoon en het bijbehorende meetsystem is zo ontworpen dat het ruisniveau van het meetsystem net onder deze sea state zero ligt. Testmetingen In het afgelopen jaar is het hydrofoonsysteem uitgebreid getest om de geschiktheid als kosmischedeeltjesdetector aan te tonen [7]. Hiervoor is gebruik gemaakt van het geluidsarme bassin in de TNO-vestiging in Den Haag dat te zien is in figuur 2. Dit bassin is zo goed mogelijk akoestisch geïsoleerd en is behoorlijk groot. Dat heeft als voordeel dat eventuele echo’s in het bassin te scheiden zijn van het signaal. Met behulp van een onderwaterluidspreker is de fiberhydrofoon vergeleken met gevoelige state-of-the-art(piëzo-)hydrofoons. De gebruikte referentie(piëzo)hydrofoon is van de firma Bruël & Kjaer (B&K 8101), een van de meest gevoelige types die commercieel verkrijgbaar is. Het is gebleken dat de gevoelig- heid van de fiberlaserhydrofoon hoger is dan deze referentiehydrofoon. Dit heeft als voordeel dat de signaalruisverhouding beter is. Figuur 3 geeft hiervan een voorbeeld. Deze illustratie toont een reeks van gesimuleerde pulsjes zoals die verwacht worden van kosmische neutrino’s. Hiertoe is het verwachte signaal met een computer gesimuleerd en omgezet in een geluidsbestand. Deze ‘beltoon’ is daarna onder water afgespeeld en opgenomen met de fiberlaser en referentiehydrofoons. Uit het opgenomen signaal blijkt duidelijk dat de hydrofoons gevoelig genoeg zijn voor het meten van kosmische deeltjes. De fiberlaserhydrofoon meet in het bassin zelfs nog de echo’s die een mPa amplitude hebben. Conclusies en vooruitblik Uit de resultaten van de optische hydrofoontechnologie kan geconcludeerd worden dat een technologie voorhanden is die de vereiste gevoeligheid heeft voor het akoestisch meten van hoogenergetische neutrino’s. Daarnaast is de technologie relatief goedkoop en eenvoudig te implementeren in een grootschalige experimentele opstelling. Qua opzet zal zo’n experiment veel lijken op bestaande en geplande experimenten zoals IceCube en KM3NeT. Het zal bestaan uit verticale strings van enkele honderden meters lang waarin enkele tientallen hydrofoons geplaatst zullen worden. Door de strings op honderd meter van elkaar te plaatsen kan een detectievolume gecreëerd worden van meer dan een kubieke kilometer zoals de schets in figuur 4 laat zien. Met zo’n experiment kan men geduldig naar het ge- Figuur 4 Een artistieke impressie van een experiment gebaseerd op hydrofoons. luid van de zee luisteren. We zullen voornamelijk het gezang van walvissen en dolfijnen horen, maar hopelijk ook een paar duidelijke tikken die ons onschatbare informatie opleveren over kosmische straling uit het heelal. Referenties 1 J. Hoerandel, Early cosmic-ray work, Germany, http://arxiv.org/abs/1212.0706. 2 A. Heijboer, Neutrino-astronomie op de bodem van de zee, NTvN 73-06, juni 2013. 3 G. A. Askaryan, Hydrodynamic Radiation From the Tracks of Ionizing Particles in 4 5 6 7 Stable Liquids, Sov. J. At. En. 3 (1957) 921, Russisch origineel: At. Energ. 3 (1957) 152. L. Sulak et al., Experimental studies of the acoustic signature of proton beams traversing fluid media, Nucl. Inst. and Meth. 161 (1979) 203. R. Lahmann, Ultra-High-Energy Neutrinos and Their Acoustic Detection in the Sea, Habilitation Thesis, Friedrich-Alexander Universitat Erlangen (2011). V. O. Knudsen, R. S. Alford en J. W. Emling, Underwater ambient noise, J. Mar. Res. 3 (1948) 41. E.J. Buis et al., Fibre laser hydrophones for cosmic ray particle detection, arxiv.org/ abs/1311.7588. GEZOCHT: COLUMNISTEN We zijn op zoek naar natuurkundigen die het leuk vinden om een of meerdere columns te schrijven. In het NTvN willen we graag aandacht besteden aan wat er speelt bij onze leden. Verbaast u zich ergens over, is u iets opgevallen of vindt u dat iets anders moet en wilt u hierover een column van maximaal 500 woorden schrijven? Neem dan contact op met het redactiebureau. Voor meer informatie: Redactiebureau ([email protected], 020-5922250) april 2014 Nederlands Tijdschrift voor Natuurkunde 125 De uitdaging Positiebepaling met satellieten In deze uitdaging bekijken we de invloed van speciale en algemene relativiteit op het bepalen van een positie met behulp van satellieten. Plaatsbepaling in twee dimensies We beginnen eenvoudig met een plaatsbepaling in het platte vlak (2D). Hiervoor rusten we enkele torens in enkele steden uit met een zeer goede klok en een zender. De toren zendt een radiosignaal uit met daarin gecodeerd steeds twee gegevens: de exacte locatie van die toren en het tijdstip van uitzending. 126 1 © Martijn van Roovert Met hoeveel torens moet ik minstens in verbinding staan wil ik mijn positie eenduidig kunnen vastleggen? Relativiteit De speciale relativiteitstheorie leert ons dat klokken die bewegen ten opzichte van een waarnemer langzamer lopen (tijdrek) 2 Geef een schatting van de fout in de positiebepaling als de klokken per dag een microseconde desynchroniseren. ∆tb = Plaatsbepaling met behulp van satellieten Bij het GPS-systeem bepaal je een locatie op aarde door de afstand tot enkele satellieten (met aan boord een atoomklok) te registeren. Deze satellieten zenden continu informatie uit met de lichtsnelheid over hun positie en het tijdstip van uitzenden. , (1) hierin is Δte een tijdsinterval in het systeem van de waarnemer en Δtb is een tijdsinterval in het ten opzichte van de waarnemer bewegende systeem. 5 Schat de desynchronisatie per dag ten gevolge van speciale relativiteit voor een klok op aarde en een klok aan boord van een GPSsatelliet. Is de uitkomst verwaarloosbaar voor een nauwkeurige plaatsbepaling? 3 Met hoeveel satellieten moet je minstens in verbinding staan wil je je positie eenduidig kennen? De banen van de satellieten zijn zo gekozen dat ze een periode hebben van T = 12 uur. 4 Op welke hoogte bevinden de satellieten zich en welke baansnelheid hebben ze? Nederlands Tijdschrift voor Natuurkunde q∆te 2 1− vc2 De invloed van algemene relativiteit is wat lastiger te bepalen. We doorlopen hiervoor eerst een gedachtenexperiment. Plaats een zeer goede klok in een draaiende trommel. Als we de klok in het centrum van de trommel plaatsen, is de baansnelheid nul. Er is april 2014 dus nu geen desynchronisatie met een klok buiten de draaiende trommel (zie vergelijking 1). Maar als we de klok op de wand van de trommel plaatsen op afstand r van het middelpunt, beweegt de klok zich met baansnelheid v en vindt er dus wel desynchonisatie plaats. De klok wordt in een cirkelbaan gehouden door een centripetale kracht, een kracht van de trommelwand op de klok. De klok oefent hierdoor een reactiekracht uit op de wand (derde wet van Newton). Deze reactiekracht is analoog aan het gewicht dat de klok zou hebben als het in rust op het oppervlak van een planeet ligt. Je kunt dus met zo’n draaiend systeem een soort ‘schijnzwaartekrachtsveld’ opwekken. Je kunt ook aan dit schijnzwaartekrachtsveld ontsnappen. Als je in het centrum van de trommel zit is de ontsnappingssnelheid vo nul, maar als je op afstand r van het middelpunt zit moet je minstens de baansnelheid hebben om aan dit schijnzwaartekrachtsveld te ontsnappen. Nog steeds gaat de analogie met een echt zwaartekrachtsveld gewoon op, immers, ook bij een zwaartekrachtsveld 6 is sprake van een ontsnappingssnelheid v0 = 2GM (2) R . De analogie is helemaal compleet als we ons realiseren dat klokken in een gravitatieveld ‘anders’ lopen dan klokken buiten dit veld. Dit is geen toeval, maar is in te zien met behulp van het equivalentieprincipe, dat stelt dat er voor een waarnemer geen manier bestaat om een verschil vast te stellen tussen een gravitatiekracht in een stilstaand stelsel of een inertiaalkracht in een versnellend stelsel. De klok in de trommel versnelt continu en het effect hiervan is dus equivalent aan het plaatsen van de klok in een gravitatieveld. Beredeneer gebruikmakend van het equivalentieprincipe en het gedachte-experiment of een klok op het aardoppervlak langzamer of sneller loopt dan een klok aan boord van een satelliet. 7 Geef een schatting hoe groot de desynchronisatie ten gevolge hiervan is per dag en geef aan of dit verwaarloosbaar is voor een nauwkeurige plaatsbepaling. 8 De nettokracht op de klok is gelijk aan de centripetale kracht geleverd door de wand. De klok oefent een reactiekracht uit op de wand. Deze kracht is volgens het equivalentieprincipe analoog aan het gewicht van de klok in rust op het oppervlak van een planeet. Hoe groot is de desynchronisatie ten gevolge van algemene relativiteit en speciale relativiteit samen? Lodewijk Arntzen De antwoorden zijn te vinden op pagina 139 bij de agenda. Vacature De opleiding Technische Natuurkunde van de Haagse Hogeschool (locatie campus Delft) is een opleiding die zich richt op het toepassen van natuurkunde in de techniek, met name op de vakgebieden fotonica, medische fysica, akoestiek, vacuümtechniek en bestaat uit een klein vast team van 10 docenten en ruim 300 studenten. 127 Bij de opleiding Technische Natuurkunde is per 1 september 2014 de functie vacant van Docent Natuurkunde (0,8 – 1 fte) Functie-inhoud In deze docentfunctie verzorgt u onderwijs bij de opleiding Technische Natuurkunde. Tot uw taken behoren onder meer: • het verzorgen, ontwikkelen en coördineren van onderwijs • het coachen van studenten in het kader van studieloopbaanbegeleiding en projecten, • het begeleiden en beoordelen van stagiaires en afstudeerders • het verzorgen, organiseren en coördineren van bijzondere hogeschool- en/of opleidingsprojecten. Functie-eisen • mastertitel in de natuurkunde • affiniteit met het verzorgen van onderwijs en het begeleiden van practica • gespecialiseerde vaktechnische vaardigheden zoals het omgaan met geavanceerde meetapparatuur • ervaring met het toepassen van diverse programmatuur zoals matlab, labview, en comsol multiphysics • recente en relevante praktijkervaring • bij voorkeur onderwijservaring en in bezit van didactische aantekening • uitstekende schriftelijke en mondelinge taalvaardigheden. Arbeidsvoorwaarden • de arbeidsvoorwaarden zijn conform de CAO-HBO • Het salaris van deze functie bedraagt maximaal € 4.365,16 (schaal 11) bij een volledige werkweek (exclusief 8% vakantietoeslag en een volledige 13e maand). Inschaling zal plaatsvinden op basis van opleiding en ervaring. • De benoeming betreft een tijdelijk dienstverband voor 1 jaar, met uitzicht op verlenging. Solliciteren U kunt uitsluitend online solliciteren door het invullen van het sollicitatieformulier op www.dehaagsehogeschool.nl/vacatures. Kandidaten vullen het sollicitatieformulier in en voegen een brief en cv bij. U kunt reageren tot en met vrijdag 30 mei 2014. april 2014 Nederlands Tijdschrift voor Natuurkunde Door meten tot weten Een moleculaire basis voor cellulaire mechanosensing Wat weet een cel van de wereld om zich heen? Chemische informatie vergaart de cel met behulp van receptoren in het celmembraan: zo weet een cel in de alvleesklier bijvoorbeeld of er te veel suiker in het bloed zit en dus of er insuline gemaakt moet worden. Maar cellen gebruiken ook informatie over de mechanische eigenschappen van hun omgeving, om bijvoorbeeld te bepalen waar zich een oppervlak bevindt, waar zich een ontsteking verstopt of waar een opening is om doorheen te glippen. Een open vraag is wat voor ‘zintuig’ de cel gebruikt om deze externe mechanische eigenschappen te meten. Een eenvoudig, fysisch mechanisme zou wel eens een deel van het antwoord kunnen zijn. 128 Horror gradientis De natuur strijdt tegen gradiënten. Telkens wanneer een grootheid op één plaats groter is dan op een andere is er een tendens om zo’n gradiënt glad te strijken. Zo stroomt alles, aan z’n lot overgelaten, onherroepelijk naar uniformiteit en onveranderlijk evenwicht. De biologie is daarmee tegennatuurlijk, want al het leven is erop gericht om juist buiten evenwicht te blijven. Mocht dit evenwicht toch Elizaveta Novikova en Kees Storm gevonden worden dan is het einde verhaal: Equilibrium is Death. En dat is letterlijk waar. Het lichaam van een overledene wordt niet zozeer koud, als wel gelijk in temperatuur aan de omgeving. Maar niet getreurd. Iedere cel van ons lichaam beschikt over een arsenaal aan wapens om dat evenwicht op afstand te houden. Het allerbelangrijkste daarvan is het membraan, een dun velletje dat bestaat uit vetzuurmole- culen (lipiden) die zichzelf spontaan organiseren tot een dubbele laag waar nagenoeg niets spontaan doorheen kan gaan. Waar echter niets uit kan, kan ook niets in en een perfect afgesloten systeem is net zo goed intern in evenwicht, en dus even doods. Het celmembraan heeft dan ook aanzienlijk meer taken – het is de centrale spil in een complex transportnetwerk dat met kanalen, pompen, poriën, containers en motoren nauwlettend waakt Figuur 1 De focale adhesie ontleed. Rond z = 20 nm het celmembraan, de grens tussen binnen en buiten. De rode staafjes zijn de integrinen – ze steken dwars door het membraan en zijn de verbindende schakel tussen de extracellulaire matrix (ECM) en het cytoskelet (de blauwe actine stress fibers). Bron: P. Kanchanawong et al., Nature 468, 580-584 (2010). Nederlands Tijdschrift voor Natuurkunde april 2014 over wat er in en uit de cel gaat. Zo staat de cel in constant contact met de buitenwereld, maar is hij toch in staat blijvend anders te zijn om de vitale gradiënten in stand te houden. Dat membraantransportsysteem is slim. Het is gekoppeld aan een uitgebreid monitorend systeem, dat op ieder moment de actuele situatie en de behoeften in kaart kan brengen. Het voorbeeld uit de introductie is treffend. Door goed in de gaten te houden of er behoefte is aan insuline zorgt de cel dat het alleen geproduceerd wordt wanneer het daadwerkelijk nodig is – een zeer efficiënt gebruik van beperkte middelen! Door meten tot weten Hoe meer de cel van de omgeving en de omstandigheden weet, des te efficiënter kan hij erop inspelen. Het monitoren van de omstandigheden buiten de cel blijft daarom niet beperkt tot chemische gegevens (veelal concentraties van een extracellulair molecuul). Ook de temperatuur wordt gemeten en – zo weten we tegenwoordig – externe mechanische condities. Cellen reageren op krachten die op hen worden uitgeoefend, op de snelheid waarmee vloeistoffen langsstromen, ze weten waar zich opper- of grensvlakken bevinden in hun buurt en ze weten waar andere cellen zijn die de gedeelde omgeving vervormen. De situatie buiten het celmembraan wordt niet alleen passief ‘uitgelezen’ – cellen zijn ook voortdurend bezig de omgeving actief mechanisch te meten: door intern gegenereerde krachten over te brengen op de omgeving wordt informatie ingewonnen over de heersende condities. Elke cel is dus zowel een actieve als een passieve mechanosensor en kan niet alleen krachten, maar ook stijfheden (elasticiteitsmoduli) registreren en meten. Met dat belangrijke inzicht werd cellular sensing, zoals in brede zin de sensorische functionaliteit van cellen genoemd wordt, plots erg interessant voor fysici. De vraag werpt zich onmiddellijk op hoe een enkele cel zich bewust kan zijn van mechanische eigenschappen. Uiteindelijk moeten alle signalen van buiten ‘vertaald worden’ in een chemisch signaal aan de binnenkant, en voor deze zogenaamde mechanosensing is dus op z’n minst een vertaalslag nodig: zonder mechanotransductie geen me- Verklarende woordenlijst ECM of extracellulaire matrix: dát deel van weefsels dat zich buiten de cellen bevindt. Verantwoordelijk voor stevigheid, vorm en structuur van weefsels. Cytoskelet: een netwerk van stijve polymeren dat binnen de cel voor stevigheid, beweging en transport zorgt. Bestaat met name uit het eiwitpolymeer actine, maar daarnaast ook uit de microtubuli. Celmembraan: een dun dubbel laagje vetzuurmoleculen dat de buitenste grens van de cel vormt. Alles wat erin zit is, hoort bij de cel. FA of focale adhesie: een macromoleculair aggregaat dat, door het celmembraan heen, het ECM met het cytoskelet verbindt. Actine (netter: F-Actine): een stijf eiwitpolymeer dat het hoofdbestanddeel is van het cytoskelet. Het moleculaire motoreiwit myosine kan actinefilamenten langs elkaar doen bewegen en zo contractie bewerkstelligen. Actine en myosine vormen zo de basis van al onze spieren, maar ook van de stressfibers – de spieren van de cel. Integrine: klasse eiwitten, onderdeel van FA’s, die de fysieke schakel vormen tussen binnen en buiten – tussen cytoskelet en de ECM. Slip bond: een eiwitbinding die, gemiddeld, sneller losraakt wanneer eraan getrokken wordt. Catch bond: een eiwitbinding die, gemiddeld, langzamer losraakt wanneer eraan getrokken wordt, tot aan een kritieke kracht waarbij de gemiddelde levensduur maximaal is. Mechanosensing: gevoeligheid van enkele cellen voor mechanische stimuli. Figuur 2 De bindingen die integrinen maken zijn typisch de zogenaamde slip bonds: hun (ensemblegemiddelde) levensduur τ neemt exponentieel af met de kracht f die erop staat. Sommige integrinen – die we in bijna alle FA’s vinden – doen echter iets compleet anders: hun levensduur neemt aanvankelijk toe met de kracht. We noemen zulke bindingen catch bonds. chanosensing. Hetzelfde geldt voor de actieve variant. Een cel heeft geen unstertje om uit te lezen, maar zal de respons op de krachten die hij op de omgeving uitoefent op een of andere manier moeten vertalen in een intern, chemisch sigaal. Tot voor kort ging men uit van een scenario waarin die overdracht door de veranderde vouwingstoestand van eiwitten ging. Het beeld is relatief eenvoudig. Om krachten te meten zijn drie componenten nodig: een interne, een externe en een verbinding daartussen. Die drie structuren zijn alle redelijk goed bekend. Het cytoskelet – een stevig netwerk van eiwitpolymeren waaronder actine (te zien als de blauwe fibers in figuur 1), dat actief samen kan trekken onder invloed van moleculaire motoren – is via de binnenkant van de cel direct gekoppeld april 2014 Nederlands Tijdschrift voor Natuurkunde 129 a) b) 130 Figuur 3 a) In de FA vormen integrineclusters de verbinding tussen binnen en buiten. De integrinereceptoren kunnen gebonden (g) of ongebonden (o) zijn aan de ECM-liganden en ze delen samen de kracht die vanuit de stressfiber op de gehele cluster uitgeoefend wordt. b) Om de respons van zo’n cluster te beschrijven, gebruiken we de theorie van Bell [3] die een zogenaamde mastervergelijking voorstelde: we beschrijven de evolutie in de tijd van pi, de kans om i gebonden bindingen te hebben in de cluster, door alle processen te beschouwen die zorgen voor groei en krimp van de cluster. In deze formule is ri(f) de krachtafhankelijke ontbindingsfrequentie bij een clustergrootte i (gerelateerd aan de inverse levensduur bij kracht f) en gi de krachtonafhankelijke bindingsfrequentie. Het resultaat is een stochastische eerste orde differentiaalvergelijking, die in sommige limieten opgelost kan worden maar over het algemeen numeriek bestudeerd moet worden. aan de extracellulaire matrix (ECM, de lichtblauwe laag onderaan figuur 1) aan de buitenkant. Dit is het weefsel tussen onze cellen dat zijn stevigheid met name ontleent aan lange eiwitfibers als collageen en fibronectine. Tussen die twee fibernetwerken bevindt zich de focale adhesie (FA, de rode, oranje en gele eiwitten in figuur 1), een complex aggregaat dat opgebouwd is uit vele eiwitten en letterlijk de binnenkant en buitenkant aan elkaar koppelt. Het ligt voor de hand dat onder invloed van een kracht een of meerdere van die eiwitten een verandering in de vouwingstoestand ondergaan, die hen als het ware ‘openzet’: in de opgerekte vouwing is plots een reactief domein zichtbaar dat eerder verstopt was. Zo kunnen verschillende vouwingen aan verschillende biochemische reacties deelnemen en is het mechanisch signaal vertaald in een chemisch signaal. Nederlands Tijdschrift voor Natuurkunde Figuur 4 Het gedrag van de mastervergelijking uit figuur 3b bij verschillende krachten Φ. Abscis: tijd, ordinaat: aantal gebonden catch bonds. Bij lage kracht (Φ = 450) groeit de cluster aan tot een vaste gemiddelde omvang en deze is stabiel voor lange tijden. Bij grote krachten neigt de clustergrootte ook naar een vaste waarde die hoger is: het aantal gebonden bindingen is een functie van de externe kracht. Bij grote krachten zijn echter ook de fluctuaties in het aantal gebonden catch bonds groter en ontbindt de cluster wanneer het aantal gebonden catch bonds onder een minimumwaarde valt. Door de resultaten van vele van deze stochastische simulaties met elkaar te vergelijken konden we statistisch verantwoorde uitspraken doen over de krachtafhankelijkheid van de levensduur en omvang van de cluster. Zulke zogenaamde cryptische domeinen zijn ook daadwerkelijk gevonden – zowel in het cytoskelet (in het eiwit filamine) als in FA’s (onder andere in het eiwit talin). Een elegant mechanisme, maar voornamelijk relevant voor het voelen van extern uitgeoefende krachten. Het verklaart niet hoe cellen zich bij gelijke aangewende kracht ook bewust kunnen zijn van de stijfheid van de omgeving – een effect dat onlangs op indringende wijze aangetoond werd toen Discher en collega’s lieten zien dat identieke stamcellen, wanneer ze zich mochten ontwikkelen op substraten van verschillende stijfheden, zich afhankelijk van die stijfheid differentieerden tot compleet verschillende typen cellen. Een harde ondergrond deed de cel in de meeste gevallen besluiten een botcel te worden, terwijl een weke ondergrond eerder spier- of zenuwcellen deed ontstaan [1]. april 2014 Moleculen op de grens Om ook dat soort mechanosensing te leren begrijpen, zoomden we in op de grens tussen cel en buitenwereld. Op de integrinen, om precies te zijn. In figuur 1 zien we de integrinen zitten: de rode eiwitten die dwars door het membraan steken. Recente experimenten lieten zien dat een aantal van die moleculen een heel bijzondere eigenschap hebben [2]: de binding die ze vormen wordt sterker naarmate er harder aan getrokken wordt. We noemen dat catch bond-gedrag (zie figuur 2). Omdat die eiwitten daarmee al op het niveau van een enkel molecuul direct gevoelig zijn voor een mechanisch signaal, vermoedden we dat ze wel eens een rol zouden kunnen spelen in de mechanische waarneming. We formuleerden daartoe een model dat zowel de eigenschappen van één catch bond als het gezamenlijk gedrag van meerdere catch bonds beschrijft. Figuur 5 Wanneer we de externe kracht niet vastleggen maar door moleculaire motoren in de stressfibers laten genereren, vinden we dat de fractie gebonden catch bonds (ordinaat) een directe functie wordt van de extracellulaire stijfheid (abscis). Dit is precies wat een stijfheidssensor moet doen: intern een representatie geven van een externe conditie. Ons model is gebaseerd op de theorie van Bell [3] die als eerste de krachtafhankelijkheid van meervoudige biologische bindingen beschreef in een eenvoudig, maar krachtig model (zie figuur 3). Bells theorie beschrijft hoe meerdere, parallelle bindingen (we noemen dat een cluster) zich gedragen wanneer ze samen een kracht moeten verdelen. Voor gewone slip bonds is de uitkomst bekend [4], maar voor catch bonds is het gedrag aanmerkelijk rijker. Niet alleen op individueel niveau, maar ook collectief kunnen vele catch bonds samen, zoals we die aantreffen in iedere FA, sterker worden wanneer de kracht groter is (zie figuur 4). Daarnaast vertoont ook de levensduur van de gehele catch bond-cluster, net als de enkele catch-bindingen, een maximum. Het aantal gebonden catch-integrinen blijkt direct gecorreleerd te zijn met met de externe kracht. Twee specifieke processen zorgen hiervoor. Ten eerste is er een subtiele koppeling tussen alle integrinen. Hoewel we geen directe wisselwerkingen vooronderstellen, is het wel zo dat alle integrinen samen de kracht moeten verdelen die op de FA uitgeoefend wordt. Zo merkt de rest het direct wanneer één binding losraakt. Ze moeten dan allemaal een grotere kracht dragen. In slip bonds geeft dat, wanneer een kritieke kracht overschreden wordt, aanleiding tot een lawine aan ontbindingen en de gehele Figuur 6 Een cel, vastgehecht aan een oppervlak dat deels zacht (links) en deels hard (rechts) is. Ons model voor mechanosensing laat zien dat het aantal gebonden catch bond-integrinen (de groene balletjes) een directe maat is voor de externe stijfheid. Die stijfheidsmeting wordt gevisualiseerd door de led-outputmetertjes die bij de aanhechtingspunten staan (ICMS Animation Studio, TU/e). cluster scheurt los. Bij catch bonds is er echter een regime waarin de levensduur van de enkele binding toeneemt bij toenemende kracht en het kan dus gebeuren dat de gehele cluster sterker wordt (langer vast blijft zitten) wanneer er enkele bindingen losraken. Die mogelijkheid, zo laat ons model zien, leidt tot een optimum in de fractie gebonden bindingen dat specifiek is voor iedere kracht. Daarmee is deel een van een mechanosensor gebouwd: een interne observabele – het aantal gebonden bindingen – is een directe maat voor de kracht. Maar nu het tweede deel: hoe vertalen we dat naar stijfheden? Hiermee zou je weliswaar externe krachten kunnen meten, maar hoe zit dat wanneer er extern niets gebeurt en er alleen een stijvere of wekere omgeving gedetecteerd moet worden? Daar lijkt de cel iets slims op gevonden te hebben. De sensorische functionaliteit die leidt tot rigidity sensing (meting van de externe stijfheid) is geheel afhankelijk van actieve processen. De cel meet deze door zélf krachten uit te oefenen op het cytoskelet. Daartoe worden de stressfibers (zie ook figuur 1) aangespannen, precies zoals spieren dat doen: myosinemotoren trekken aan de actinefilamenten in de fiber. Uit metingen van de energie die daarbij verbruikt wordt [5], weten we dat de cel niet probeert een constante kracht aan te wenden, maar in iedere stressfi- ber grofweg dezelfde mechanische energie investeert. Er wordt gewerkt met een arbeid die ongeveer constant is. Omdat die arbeid schaalt met de externe stijfheid is daarmee een link (in werkelijkheid iets complexer) gelegd tussen de stijfheid en het aantal gebonden bindingen: een moleculair mechanisme voor stijfheidssensing (zie figuur 5). Het artikel waarin we deze vindingen beschreven [6] werd enthousiast onthaald. Het kreeg als New and Notable een mooi plekje in de etalage van Biophysical Journal en werd van commentaar voorzien en in een ruimere context geplaatst [7]. Als klap op de vuurpijl mochten we ook nog de omslag aanleveren (figuur 6) – maar we zijn nog lang niet klaar met deze catch bonds! Hoe verder? Het is voor de cel van groot belang zijn omgeving te kennen, zowel mechanisch als chemisch. Catch bondintegrinen – een omvangrijke familie die we in praktisch iedere cel van ons lichaam aantreffen – kunnen een belangrijke rol spelen: hoe stijver de omgeving, hoe meer er aan de ECM gebonden zijn. Zo kan een cel, in ieder van zijn FA’s afzonderlijk, lokaal de rigiditeit meten en de mechanische eigenschappen van zijn omgeving in kaart brengen. Intern kan het aantal gebonden integrinen direct chemisch geïnterpreteerd worden: de bindingen april 2014 Nederlands Tijdschrift voor Natuurkunde 131 Elizaveta Novikova (1986) studeerde theoretische natuurkunde aan de Staatsuniversiteit van Sint-Petersburg. Sinds 2010 werkt ze als promovenda in dienst van de stichting FOM aan de Technische Universiteit Eindhoven. Haar werk is onderdeel van het vrije programma Mechanosensing and Mechanotransduction by Cells waarin ze, samen met een aantal groepen in Nederland, onderzoek doet naar de basisfysica van cellulaire mechanosensing. 132 die vast zitten zijn niet beschikbaar voor chemische reacties en de gebonden fractie is dus meetbaar als een concentratie. Momenteel zijn we bezig het vervolgonderzoek op te schrijven. We kijken naar de ruimtelijke structuren die een mengsel van catch en slip bonds innemen. Omdat de ene variant pas goed tot zijn recht komt wanneer de krachten groot zijn (dan zijn catch bonds sterker), maar de andere juist bij kleine krachten (dan zijn slip bonds sterker), wordt al lang gespeculeerd dat we ze beide samen gebruiken om voor een breed spectrum aan externe krachten gevoelig te (kunnen) zijn. Ook vermoedt men dat slip bond-integrinen in de vroege stadia van celadhesie belangrijk zijn, maar dat de catch bonds het in de volwassener stadia overnemen. Door de bindingskinetiek van beide te simuleren en daarbij ook de diffusie van integrinen mee te nemen, willen we kijken wat de concrete voorspellingen van dit model zijn voor fysiologische mengsels van integrinen. Stukje bij beetje leren we zo meer over de fysische mechanismen die cellen in staat stellen hun omgeving te zien. En wanneer we weten hoe ze zien, kunnen we wellicht op termijn ook beter begrijpen welke keuzes ze daarmee maken en hen heel misschien zelfs leren aansturen in die keuzes. Referenties: 1 A.J. Engler et al., Matrix elasticity directs stem cell lineage specification, Cell 126 (2006) 677-689. 2 F. Kong et al., Demonstration of catch bonds between an integrin and its ligand, J. Cell Biol. 185 (2009) 1275-1284. Kees Storm (1973) studeerde en promoveerde aan de Universiteit Leiden, bij het InstituutLorentz voor Theoretische Natuurkunde. Na postdocs aan de University of Pennsylvania en het Institut Curie in Parijs is hij sinds 2007 werkzaam aan de faculteit Technische Natuurkunde van de Technische Universiteit Eindhoven, waar hij de groep Functie en Zachte Mechanica van Biomaterialen leidt. [email protected] 3 G.I. Bell, Models for the specific adhesion of cells to cells, Science 200 (1978) 618-627. 4 U.S. Schwarz, T. Erdmann en I. B. Bischofs, Focal adhesions as mechanosensors: the two-spring model, Biosystems. 83 (2006) 225-232. 5 H.B. Schiller et al., β1 and αv-class integrins cooperate to regulate myosin II during rigidity sensing of fibronectin-based microenvironments, Nat. Cell Biol. 15 (2013) 625-636. 6 E.A. Novikova en C. Storm, Contractile fibers and catch bond clusters: a biological force sensor?, Biophys. J. 105 (6) (2013) 1336-1345. 7 U.S. Schwarz, Catch me because you can: A mathematical model for mechanosensing, Biophys. J. 105 (6) (2013) 1289-1291. Nieuws Vici-subsidies 31 wetenschappers kregen onlangs van de Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek (NWO) een Vici-subsidie van elk anderhalf miljoen euro om de komende vijf jaar onderzoek te doen en een onderzoeksgroep op te bouwen. Hieronder de vier natuurkundegerelateerde Vici’s: • Zichtbare effecten van donkere materie, Leon Koopmans, RUG/Kapteyn Instituut. Het project omvat het onderzoeken van donkeremateriestructuur in het heelal op kleine schalen. Door te kijken naar de lenswerking van deze structuren, dat wil zeggen de afbuiging van lichtstralen door zwaartekracht, krijgen we direct inzicht in de deeltjeseigenschappen van donkere materie. • Gadgets met piëzo-elektrische blokcopolymeren, Katja Loos, RUG. Draag- Nederlands Tijdschrift voor Natuurkunde bare elektronische apparaten zoals smartphones en tablets zijn in de afgelopen jaren steeds kleiner en krachtiger geworden en spelen een steeds grotere rol in het dagelijks leven. De technologie die deze mobiele apparaten voortdrijft is een stuk verbeterd in de afgelopen decennia. Om deze trend in de toekomst voort te zetten, moeten alternatieve materialen worden ontwikkeld voor verdere miniaturisatie en betere prestaties. Het voorgestelde onderzoek zal de interessante eigenschappen van piëzo-elektrische poly(vinylidene fluoride) blokcopolymeren gebruiken om nieuwe materialen te ontwikkelen voor sensoren, dataopslag en batterijapplicaties, die allemaal worden gebruikt in onze dagelijkse microelektronische apparaten. april 2014 • Chromatin Dynamics in Single Genes, John van Noort, UL. Ons DNA is in de cel opgevouwen in een compacte structuur. De onderzoekers zullen de structuur van een enkel gen met nanometerprecisie ontrafelen en bekijken hoe deze de activiteit van genen die gevoelig zijn voor hormonen beïnvloedt. • Building architectures at the nanoscale, Peter Schall, UvA. Het ontwerpen van structuren op de nanometerschaal is een eerste stap naar nieuwe materialen met uitzonderlijke eigenschappen. De onderzoekers zullen complexe nanostructuren samenstellen met bouwstenen ter grootte van enkele nanometers. Ze zullen de mechanische en elektronische eigenschappen van deze structuren onderzoeken voor toekomstige materialen. Ingelijst 133 Moleculaire motoren Cellen kunnen zichzelf actief samentrekken doordat moleculaire motoren kracht uitoefenen op polymeernetwerken. Deze afbeelding is een soort film op papier, waarbij de kleuren het tijdsverloop voorstellen. In het begin (paars) is het netwerk verspreid over het hele systeem. Na verloop van tijd (van paars naar rood naar geel naar wit) trekken motoreiwitten (elk ~1 µm groot) het netwerk (~3 mm) steeds compacter samen tot één cluster. José Alvarado en Gijsje Koenderink, FOM Instituut AMOLF Heeft u ook een plaat voor deze rubriek? Stuur hem in, samen met een bijschrift van maximaal 100 woorden ([email protected]). april 2014 Nederlands Tijdschrift voor Natuurkunde Ken uw klassieken De fysicalisering van informatie C.E. Shannon, A Mathematical Theory of Communication, Bell Systems Technical Journal 27 (1948) 379 - 423, 623 - 656. A. Turing, On computable numbers, with an application to the Entscheidungsproblem, Proceedings of the London Mathematical Society 42 (1936), 230 - 265. R. Landauer, Irreversibility and heat generation in the computer process, IBM Journal of Research and Development 5 (1961) 183 - 191. Quantificering van informatie 134 De wereld is omgeven met digitiale informatie. NTvN - Esger Brunner. Nederlands Tijdschrift voor Natuurkunde april 2014 Wij leven in het informatietijdperk! Wij worden omringd door informatieintensieve diensten op communicatief, financieel en amusementsgebied, terwijl ook de publieke sector, zoals onderwijs, gezondheidszorg, vervoer en openbare dienstverlening, geheel op informatie is georiënteerd. Maar wat is informatie precies? Degene die de informatie quantificeerde en tot de grondslag maakte van de informatietheorie en -technologie was de Amerikaanse ingenieur Claude Shannon (1916 - 2001). Gedurende de Tweede Wereldoorlog werkte hij op Bell Labs, waar hij in 1945 het (geheime) technische rapport A Mathematical Theory of Communication voltooide, dat pas in 1948 kon worden gepubliceerd. Zijn doel bij Bell Labs (als commerciëel onderzoekslaboratorium) was om uit te vinden hoeveel berichten men maximaal simultaan via een telefoonleiding kon versturen, zonder dat informatie verloren ging. Volgens Shannon bestaat ieder communicatiesysteem uit de volgende elementen: sender - transmitter - channel - receiver - destination. Daarbij kan het systeem worden verstoord door noise (ruis) waardoor de informatie niet volledig overkomt. Sender (bron) is volgens Shannon “the information source, which produces a message or sequence of messages to be communicated to the receiving terminal”. Transmitter (codering) “operates on the message in some way to produce a signal suitable for transmission over the channel”. Channel (kanaal) is “merely the medium used to transmit the signal from transmitter to receiver”. Receiver (decodering) “performs the inverse operation of that done by the transmitter, reconstructing the message from the signal”. Destination (bestemming) is “the person or thing for whom the message is intended”. Binnen dit kader formuleerde Shannon twee vergelijkingen die informatie en informatieoverdracht quantitatief definieerden: als x een discrete random variabele is met mogelijke waarden (x1 ... xn) en p(xi) de waarschijnlijkheid voor de uitkomst xi, dan geldt: I = -Σi p(xi)log2p(xi) (1) en C = W log2 (1 + S/N). (2) Daarbij geeft (1) de hoeveelheid informatie I aan in een bericht, uitgedrukt in binary digits of bits. Een bit is een tweewaardige eenheid van informatie, die gerepresenteerd kan worden met behulp van getalswaarden (0/1), logische waarden (ja/nee), algebraische symbolen (+/-), elektrische toestanden (aan/uit) of ieder ander tweewaardig attribuut. Om die reden heeft het logaritme de basis 2. De waarschijnlijkheid om een bepaalde informatiewaarde (xi) te vinden wordt uitgedrukt door p(xi). De formule (1) wordt ook wel de Shannonentropie genoemd, in navolging van de thermodynamische of Boltzmannentropie. Entropie is een maat voor de onzekerheid of onvoorspelbaarheid van een random variabele en de Shannon-entropie quantificeert aldus de verwachtingswaarde van de informatie, die besloten ligt in een bericht. De eerste Shannonvergelijking geeft aan dat de informatie-inhoud evenredig is met de onvoorspelbaarheid van het bericht. Hoe minder voorspelbaar het bericht, hoe groter de informatie-inhoud. De tweede Shannonvergelijking vormt een indicator voor de kwaliteit van het overbrengende medium (kanaal). C (in bits per seconde) is de hoeveelheid informatie die door het medium kan worden overgebracht. Het is afhankelijk van twee factoren: de bandbreedte W (het verspreidingsgebied van beschikbare frequenties) en S/N (de verhouding tussen signaal en ruis). Zo moeten we tegen een slechthorend persoon (verminderde W) en in een lawaaierige omgeving (verminderde S/N) wat harder praten (S verhogen) zodat C groter wordt. Claude Shannon demonstreerde machinaal leren met behulp van een experimentel muizendoolhof gemaakt van relais. 135 Standbeeld van Alan Turing in Sackville Park, Manchester. David Hilbert in 1912. Mathematisering van informatie Aangezien Shannon had aangetoond dat bits de fundamentele eenheden van informatie vormen, komt de verwerking van informatie in wezen neer op het manipuleren van bits. Reeds sinds 1936 echter bestond er een (abstract hypothetische) machine die precies daarvoor geëigend was, de Turingmachine, ontworpen door Alan Turing (1912 - 1954) – een van de geniaalste wiskundigen uit de twintigste eeuw. (Turing zelf noemde het een automatic machine of a-machine). De reden voor het ontwerp was een puur wiskundig probleem. In 1928 had de beroemde Duitse wiskundige uit Göttingen, David Hilbert (1862 - 1943), een programma opgezet om te bewijzen dat de formele, dat is op axioma’s gebouwde wiskunde, compleet, consistent en beslisbaar was. Met compleetheid bedoelde Hilbert dat binnen de wiskunde elke ware uitspraak als zodanig bewezen kon worden en elke onware uitspraak als fout kon worden weerlegd. Consistentie hield in dat geen onware april 2014 Nederlands Tijdschrift voor Natuurkunde Een complete, werkende replica van een bombe tentoongesteld in het National Codes Centre in Bletchley Park (Groot-Britannië). Met deze machines werd de Duitse Engimacode ontcijferd. 136 bewering zoals 2 + 2 = 5 via ware beweringen kon worden verkregen. Beslisbaarheid betekende dat binnen de wiskunde een definitieve methode zou moeten bestaan, waarmee kan worden bepaald of een uitspraak waar of onwaar is. Dit beslisbaarheidsprobleem staat in de literatuur bekend als het Entscheidungsproblem. Hilbert achtte dat het fundamentele probleem van de mathematische logica. Een Turingmachine is een apparaat dat een getal (input) via een eindig aantal rekenkundige bewerkingen (de M-configuraties) in een ander getal (output) kan veranderen. De input bestaat uit een reeks van binaire symbolen, 0 en 1, verdeeld in vakjes op een tape, die één voor één worden ingelezen. Als de machine zich in een bepaalde M-toestand bevindt en een symbool s inleest, kan de machine de volgende drie bewerkingen uitvoeren: het kan s veranderen in een ander symbool s’, het kan de toestand M veranderen in toestand M’, het kan de tape over een stap d verplaatsen naar een vakje vooruit of achteruit: (s,M) -> (s’,M’,d). Turing toonde aan dat met een dergelijke machine, de zogeheten universele Turingmachine, iedere rekenkundige bewerking kan worden uitgevoerd. Dit is het conceptuele prototype van alle latere computers! Elke computer is een concrete realisatie ervan. Hij bewees ook dat een universele Turingmachine in staat is om elke mathematische berekening uit te voe- Nederlands Tijdschrift voor Natuurkunde ren die vervat is in een algoritme, dat is een stap-voor-staprekenprogramma. De vraag ontstond of er ook berekeningen bestaan waarbij de machine eeuwig door moest gaan en niet kan stoppen om een oplossing te bereiken – bijvoorbeeld voor de berekening van de transcendente getallen π en e (noncomputable numbers). Dit is het stopprobleem (halting problem) dat neerkomt op de vraag of het mogelijk is vast te stellen of een bepaald algoritme bij een eindige input na een eindig aantal stappen met de berekening ophoudt of eindeloos blijft doorgaan. Turing bewees dat het voor een universele Turingmachine niet mogelijk is over het stopprobleem uitsluitsel te geven, wat inhoudt dat het Entscheidungsproblem onbeslisbaar is. Eerder had de Oostenrijkse wiskundige Kurt Gödel (1906 - 1978) in 1931 in zijn artikel Über formal unentscheidbare Sätze der Principia Mathematica und verwandter Systeme met zijn beroemde onvolledigheidsstellingen de compleetheid en consistentie van het Hilbertprogramma onderuit gehaald. Volgens Gödel kan 1) de consistentie van de axioma’s niet bewezen worden binnen hetzelfde systeem en 2) als het systeem consistent is, kan het niet volledig zijn. Aldus bleef er van het Hilbertprogramma niets over. De theoretisch fysicus John Barrow merkt daarover op (1992): “If we define a religion to be a system of thought that contains improvable statements, so it contains april 2014 an element of faith, then Gödel has taught us that not only is mathematics a religion but it is the only religion able to prove itself to be one.” Van 1936 tot 1938 verbleef Turing dankzij een beurs te Princeton, waar hij bij Alonzo Church (1903 - 1995), hoogleraar in de wiskundige logica, zijn proefschrift bewerkte. Onafhankelijk van Turing had Church eveneens in 1936 een hypothese ontwikkeld over de berekenbaarheid van een functie, die daarom naar beiden de ChurchTuringhypothese wordt genoemd en als volgt luidt: een functie is algoritmisch berekenbaar dan en slechts dan als het berekend kan worden met behulp van een Turing-machine. In de oorlog werd Turing aangesteld als cryptoanalist in het Engelse Bletchley Park, waar dankzij hem de code van het Duitse Enigma-apparaat werd gebroken. Daarmee raakten de Britten volledig op de hoogte van de Duitse oorlogsberichten waardoor vele gealliëerde mensenlevens konden worden gespaard. In 1952 werd Turing gearresteerd wegens een homoseksuele relatie met een negentienjarige jongen en veroordeeld voor gross indecency tot chemische castratie. Twee jaar later pleegde hij zelfmoord. Vanaf 1966 echter volgde eerherstel door middel van de instelling van de Turing Award (de hoogste eer op computergebied, equivalent aan de Nobelprijs), straatnamen, gedenkplaten, postzegels en Alonzo Church. John Wheeler. Foto: Courtesy of the Wheeler family (1991). Kurt Gödel. standbeelden. Op 24 december 2013 werd hem posthuum bij wet koninklijke gratie van zijn veroordeling verleend ‘met onmiddellijke ingang’. De Church-Turinghypothese toont ons het hart van de berekenbaarheid: iets is berekenbaar als een Turingmachine het kan berekenen. Daarmee stelt het echter ook een grens aan wat men kan berekenen of, zoals Turing het uitdrukte, een grens aan de wereld zelf. Anders gezegd: is informatieverwerking een mathematisch of een fysisch proces? Volgens Rolf Landauer (1927 - 1999), een Duits-Amerikaanse fysicus van het IBM Thomas J. Watson Research Center te Yorktown Heights, New York, is informatie duidelijk fysisch, een opvatting die hij verwoordde in de stelregel Information is physics. It from bit Volgens John Wheeler (1911 - 2008), hoogleraar aan de Princeton University is informatie hét fundamentele karakteristiek van het universum, een overtuiging die hij samenvatte in de slogan: It from bit. “Otherwise put”, aldus Wheeler, “every ‘it’ – every particle, every field of force, even the space-time continuum itself – derives its function, its very existence entirely – even in some contexts indirectly – from the apparatus-selected answers to yes-or-no questions, binary choices, bits. ‘It from bit’ symbolizes the idea that every item of the physical world has a bottom – a very deep bottom, in most instances – an immaterial source and explanation; that which we call reality arises in the last analysis from the posing of yes-or-no questions and the registering of equipment-invoked responses; in short, that all things physical are information-theoretic in origin.” Al het bestaande is dus in wezen informatie. Maar als informatieverwerking, zoals computerberekeningen, als een fysisch proces kan worden beschouwd, dan rijzen daarbij dezelfde vragen die bij ieder ander fysisch proces een rol spelen. Bijvoorbeeld: hoeveel energie vereist een bepaalde berekening? Hoeveel tijd neemt die in beslag? Hoe groot moet het geheugen zijn? Kortom, wat zijn de fysische grenzen van het berekeningsproces? In 1961 publiceerde Rolf Landauer zijn Landauerprincipe, dat zegt dat om één bit van informatie te veranderen, er minstens een bedrag aan energie nodig is ten bedrage van kT ln2. Dit getal is de Landauerlimiet, waarbij k de Boltzmannconstante is (1,38 · 10-23 J/K), T de absolute temperatuur in Kelvin, en ln2 = 0,69315. In mei 2012 heeft een samenwerkingsverband van de universiteiten van Augsburg en Kaiserslautern en het École Normale Supérieure te Lyon het bestaan van de Landauerlimiet experimenteel aangetoond. De Landauerlimiet bepaalt de minimale theoretische grens van de energieconsumptie van een computer. Die limiet is de enige echte principiële grens die aan een computer wordt opgelegd bij de verwerking van informatie. Kunnen quantumcomputers die grens doorbreken? Quantuminformatie heeft als eenheid de quantum bit of qubit. Een klassieke bit kan zich in slechts een van beide toestanden (0 en 1) bevinden, maar bij een qubit heeft men te maken met een superpositie van beide toestanden tegelijk. Een verzameling van meerdere qubits kan quantumverstrengeling vertonen, een niet-lokale eigenschap die het mogelijk maakt dat de verzameling zich in een superpositie van al de mogelijke toestanden bevindt, die alle simultaan kunnen optreden. Zo’n verzameling heet een quantumregister. Bijvoorbeeld, een 3 qubit register kan 23 = 8 vrijheidsgraden bevatten, namelijk 000,001,010,011,100,101,110,111. Een n qubit register bevat 2n vrijheidsgraden. Een quantumcomputer kan zich in alle verstrengelde toestanden van de mogelijke vrijheidsgraden tegelijk bevinden, terwijl de klassieke computer zich op één moment in slechts één enkele mogelijke toestand kan verkeren. De verstrengelde toestanden vormen de essentie en de grote kracht van de quantumcomputer, aangezien al die toestanden simultaan als parallelle computers kunnen werken (quantum parallelism). David Deutsch (1953), hoogleraar aan het Centre of Quantum Computation te Oxford, is de grondlegger van de quantumcomputer en de ontdekker van het eerste quantumalgoritme alsook de ontwikkelaar van de theorie van de quantum logische poorten en netwerken. Hij formuleerde ook het Church-Turing-Deutschprincipe (1985), dat een fysische vorm van de Church-Turinghypothese is en dat inhoudt dat een universele computer ieder fysisch proces kan simuleren. Hij actualiseerde ook de slogan van Wheeler naar It from qubit. Herman de Lang april 2014 Nederlands Tijdschrift voor Natuurkunde 137 NNV-Nieuws Stichting International Year of Light 2015 NL ziet het levenslicht Op 14 maart is de oprichtingsacte getekend van de Stichting International Year of Light 2015 NL. 2015 is zowel door de Unesco als door de Verenigde Naties uitgeroepen tot internationaal jaar van het licht. De stichting heeft tot doel bij te dragen aan het succes van dit jaar in Nederland. De eerste stappen zijn reeds gezet, zo is er een website ontwikkeld (www.iyl2015.nl) waarop in de loop van de tijd steeds meer activiteiten komen te staan. Heb je nu al een mooie foto van licht: stuur deze in, dan plaatsen we de foto op www.iyl2015.nl. Verder is er een twitteraccount: @iyl2015_NL. Een ieder is natuurlijk van harte welkom dit te volgen en zelf ook bij te dragen aan het succes. Voorzitter van de stichting is Kobus Kuipers (AMOLF), die de trekker is van het Nederlandse jaar. Dries van Oosten (UU) is penningmeester, Noortje de Graaf (NNV) secretaris. Voor contact met de organisatie, kun je mailen naar [email protected]. 138 Ledental NNV blijft stijgen De Jonge NNV Daar waar flink wat verenigingen te kampen hebben met teruglopende ledentallen, verkeert de NNV in de gelukkige omstandigheid dat het ledental al jaren (licht) stijgt. In 2013 was er een netto toename van 79, waardoor het ledental op 1 januari 2014 3928 bedroeg. De ervaring leert dat er in de loop van het jaar veel nieuwe leden bijkomen, zodat de teller nu staat op 4072. Onderstaande figuur laat het verloop van het ledental zien sinds de oprichting in 1921. Op 16 maart is een groep enthousiaste jonge NNV-leden bijeen gekomen om De Jonge NNV op te starten. Het idee is om binnen de NNV een beweging van jonge fysici (tot 35 jaar) op te richten om de NNV nog interessanter te maken voor dit publiek. Zaken waar De Jonge NNV aan denkt zijn bijvoorbeeld een platform voor nationale en vakgebiedoverschrijdende communicatie, actief bijdragen aan carrièreontwikkeling door middel van het organiseren van netwerkgelegenheden en loopbaanworkshops, en verder het uitdragen van de natuurkunde en het enthousiasmeren voor natuurkunde naar buiten toe door outreachactiviteiten op middelbare scholen te stimuleren. In een volgende editie van het NTvN volgt meer informatie. Ook geïnteresseerd om mee te denken en te doen? Je kunt je nu aanmelden via [email protected]. 4000 3000 2000 1000 0 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 Ledental van de NNV door de jaren heen. Nederlands Tijdschrift voor Natuurkunde april 2014 1990 2000 2010 Agenda t/m 26 oktober 2014 100 jaar uitvindingen, Made by Philips Research, een tentoonstelling over het honderdjarig bestaan van Philips Research in Museum Boerhaave. www.museumboerhaave.nl. 1 april 2014 FYSICA 2014, Universiteit Leiden. Focussessies over Physics of Cancer, Quantum Universe, Topological Insulators, Active Matter, Education, Energy and Climate en een loopbaansessie voor jongeren. Daarnaast onder meer de Young Speakers Contest, diverse plenaire toplezingen en een avondprogramma over Econophysics. Genoeg ingrediënten voor een prachtige dag. www.fysica.nl. Volg het NTvN ook op Twitter via NTvN_tweets! Met nieuws over het NTvN, de NNV en natuurkunde in Nederland. 6 - 9 augustus 2014 5th International Conference on Women in Physics, in Waterloo, Canada. http://icwip2014.wlu.ca. 3 - 4 oktober 2014 ferentie in Aveiro, Portugal. Thema: Challenges and solutions, plugins and apps for effectieve teaching. http://ptee2014.web.ua.pt/. 2 - 4 juni 2014 Workshop Electron Beam Spectroscopy for Nanophotonics (EBSN), in Amsterdam. www.amolf.nl/ebsn. 21 - 26 juni 2014 Euroscience Open Forum, in Kopenhagen. http://esof2014.org. 26 juni 2014 Symposium 60 jaar CERN, 1954 was het jaar waarop CERN in Genève voor het eerst het daglicht zag. Nederland was een van de twaalf landen die betrokken was bij de oprichting van CERN. Nikhef staat stil bij het 60-jarige bestaan van CERN in Genève met een feestelijk symposium. Rolf Heuer (directeur-generaal CERN) en Frank Linde (directeur Nikhef ) lichten, samen met andere inspirerende sprekers, de wetenschappelijke, innovatieve, industriële en educatieve aspecten van CERN en in het bijzonder de Nederlandse bijdrage toe. www.cern60.nl. Jong NVON conferentie, Jong NVON organiseert een conferentie voor jonge bètadocenten met het thema 21st century skills. Je hebt keuze uit een flink aantal workshops. Meer informatie over de workshops en verdere informatie is terug te vinden op www.nvon.nl/jong. 28 - 29 mei 2015 DRSTP symposium Trends in Theory 2015, 11e tweejaarlijkse symposium van de Dutch Research School of Theoretical Physics. http://web.science.uu.nl/DRSTP. Antwoorden Positiebepaling met satellieten Opgave 1 Drie torens. Opgave 2 Ongeveer 300 m. 11 april 2014 Opgave 3 Verhalen uit het stopcontact, lezing door Ad Maas in Museum Boerhaave gerelateerd aan de tentoonstelling 100 jaar uitvindingen, Made by Philips Research. Ook op 18 april. www.museumboerhaave.nl. Vier satellieten. Opgave 4 Hoogte hs = 2,024 · 107 m. Baansnelheid vs = 3,870 · 103 ms-1. Opgave 5 14 april 2014 7 µs. Nanotechnologie: van idee naar product, lezing van Dave Blank (Universiteit Twente) in Den Haag georganiseerd door Diligentia. www.natuurwetenschappen-diligentia.nl. 22 - 24 mei 2014 Physics Teaching in Engineering Education, de Physics Working Group van de SEFI organiseert de 8e Physics Teaching in Engineering Education con- Opgave 6 De klok op aarde loopt langzamer. Opgave 7 46 µs. Opgave 8 1 - 2 juli 2014 39 µs. 10th Nanofair - New ideas for industry, in Dresden. www.nanofair.com. De uitwerkingen zijn te vinden op onze website www.ntvn.nl. april 2014 Nederlands Tijdschrift voor Natuurkunde 139 THIN LAYER ANALYSIS WITH ION BEAMS NON AMBIGUOUS QUANTITATIVE COMPOSITION VERSUS DEPTH RUTHERFORD BACKSCATTERING SPECTROMETRY ELASTIC RECOIL DETECTION PROTON INDUCED X-RAY EMISSION PROTON INDUCED GAMMA EMISSION NUCLEAR REACTION ANALYSIS ELASTIC BACKSCATTERING SPECTROMETRY in cooporation with Ionenbundelanalysetechnieken • • • • • concentratiediepteprofielen samenstelling en laagdiktes in at/cm2 volledig periodiek systeem contaminaties laagdiktes van sub-monolayer tot meerdere micrometers • membramen en folies • ondubbelzinnige kwantificatie unambiguous IBA www.detect99.nl
