Supergeleiding
advertisement
Supergeleiding Nieuwe tak van de spintronica? Virussen: fascinerende nanodeeltjes Multiferroïden: het materiaal van de toekomst? Optische antennes Computers op draaiend elektronen INHOUD WT Wetenschap en technologie nummer 2 • April 2012 4 8 Optische antennes 38 Het verhaal van de antenne tot de optische antenne gereconstrueerd. Wat is een optische antenne? En wat zijn de verschillende toepassingen hierop? 22 Revolutionair potlood R Na de polymeren lijken we op weg naar een revolutie in onze huishoudens. Deze keer door een banaal voorwerp als een potlood. Het bevat namelijk grafeen, the next big thing in physics. Na een nobelprijs in 2010 en veel onderzoeken lijkt grafeen op weg naar eeuwige roem. 26 46 eeds vorig jaar werd een eerste magazine in het kader van het vak wetenschapscommunicatie uitgebracht onder de naam “Natuurlijk!”. 12 30 42 Wetenschaps en technologie 18 Supergeleidend ijzer Twintig jaar lang dacht men alles te weten over supergeleiders, tot in 2008 Hideo Hosono met een alternatieve basis kwam: ijzer. Een opmerkelijke ontdekking omdat ijzer altijd gedacht werd supergeleidende elektronenparen te verbreken. Een nieuwe wind waait hiermee door het vakgebied, waar men nu op zoek gaat naar nieuwe theoretische beschrijvingen. Elektronspin Australische wetenschappers zijn erin geslaagd een elektronspin uit te lezen. Deze ontdekking is een belangrijke stap in de ontwikkeling van de kwantumcomputer. Supergeleiding Supergeleiding staat in de fysica al decennia lang bekend als een bijzonder fenomeen. Nu hoopt men supergeleiding ook te verbinden met de nieuwe tak van de spintronica. 34 Historie van fagen Fagen, virussen die bacteriën aanvallen, hebben vanwege enkele unieke eigenschappen doorheen de geschiedenis de interesse van vele onderzoekers getrokken. In dit artikel wordt een kort overzicht gegeven van de ontwikkelingen in dit onderzoek, van vroeger tot 18 Dit jaar is niet enkel de naam veranderd, maar bestaat het team ook uit andere leden. Echter is de stijl dezelfde gebleven: populair wetenschappelijke artikels over wetenschappelijke onderwerpen die toch telkens als ondertoon onze eigen richting fysica hebben. Zo zijn er artikels over biologische virussen, spintronica en het vormgeven van atomen. De afgelopen maanden werden de artikels geschreven en nagekeken door Florian, Matthias en Sarina. Voor de vormgeving werd berust op de talenten van Arne en Arvid. Rest mij nog de bedenker en oprichter van dit initiatief, professor Kristiaan Temst, en de KU Leuven te bedanken en u veel leesplezier toe te wensen. Yoshi Delaey, Hoodredacteur Virussen: fascinerende nanodeeltjes I edereenkentvirussenals die kleine, ongewenste ziekteverwekkers. Virusinfecties veroorzaken wereldwijd heel wat gezondheidsproblemen. Niet alleen voor mensen, ook planten en dieren zijn niet veilig voor deze indringers. Virussen worden echter ook steeds meer gebruikt voor nuttige doeleinden. Dit gaat van gentherapie tot nanotechnologie. Zo ontstaat er steeds meer interesse voor deze deeltjes. Door Sarina Geldhof Voor een goed begrip van virussen is het belangrijk eerst de basisconstructie ervan te kennen. Een virus is niets meer dan een genoom dat het DNA bevat van het virus, omgeven door een eiwitmantel. Deze eiwitmantel moet zeer sterk zijn ter bescherming van het DNA, en kan dus aan grote druk weerstaan. Het onderzoek in Amsterdam bekijkt hoe deze eiwitmantel gevormd is en hoe ze zich gedraagt bij indrukking. De tastmicroscoop Het onderzoeken van de eiwitmantel gebeurt met behulp van een tastmicroscoop. Deze microscoop steunt op een heel eenvoudig principe. Men gebruikt een bladveer met een scherpe punt om het oppervlak af te tasten. Dit is te vergelijken met hoe een ouderwetse platenspeler een LP leest. De naald kan ook gebruikt worden voor krachtmetingen. Dan duwt men de naald in het oppervlak, en meet men de kracht aan de vervorming van de bladveer. Met deze microscoop maakt men een oppervlaktekaart van de eiwitmantel en kijkt men ook aan hoeveel kracht de eiwitmantel kan weerstaan. Zo kan men de elasticiteit van verschillende virussen bepalen. Daaruit kan dan informatie gehaald worden over de bouwmechanismes van verschillende virussen. Men heeft bijvoorbeeld ontdekt dat de eiwitmantel van virussen die hun eiwitmantel rond hun DNA bouwen minder sterk is dan die van virussen die eerst hun eiwitmantel maken en dan hun DNA inpakken. Dit komt doordat de laatste een grotere druk moeten weerstaan tijdens hun vormingsproces. Dit onderzoek gebeurt om beter inzicht te krijgen in virussen zodat ze nog beter kunnen bestreden en/of toegepast worden. Hoe meer er geweten is over de eigenschappen van een virus, hoe specifieker men de antivirale medicijnen kan maken. Toepassingen De nuttige toepassingen mogen echter niet vergeten worden. Een belangrijke eigenschap van virussen is dat ze specifieke cellen kunnen viseren. Een virus injecteert zijn DNA in specifieke cellen. Deze cellen reproduceren dit DNA en maken zo nieuwe virussen. Dit proces maakt virussen zeer geschikt om bijvoorbeeld bepaalde genen binnen te brengen in andere cellen. Het virus wordt dan als het ware een nanocapsule om stoffen te vervoeren. Genetici bestuderen zo de invloed van veranderingen in het DNA. Geneeskunde Ook in de geneeskunde wordt deze eigenschap gebruikt. Met behulp van virussen als nanocapsules kunnen medicijnen doelgerichter toegebracht worden. Zo kan men specifiek het zieke weefsel viseren, zonder daarbij de rest van het lichaam te belasten. Er wordt ook onderzoek gedaan om virussen te gebruiken die specifiek kankercellen viseren. Deze methode zou veel minder destructief zijn dan chemotherapie. Canadese onderzoekers aan het Ottawa Hospital Research Institute zijn er al in geslaagd om een virus dat ze bekwamen uit een vaccin tegen pokken zo te manipuleren dat het tumorcellen aanvalt. Het onderzoek is nog pril, maar er zijn al veelbelovende resultaten bij verschillende soorten kankers die niet meer konden behandeld worden door de klassieke geneeskunde. Bij zes van de acht patiënten stopten de tumoren met groeien of krompen ze. Dr John Bell van het instituut is opgewonden over de medische primeur, en gelooft stellig dat virussen en andere biologische therapieën in de toekomst cruciaal zullen zijn in de strijd tegen kanker. Nanotechnologie De bouw van virussen kan ook gewoon gebruikt worden als inspiratie om nanoreactoren te maken. Een nanoreactor is een zeer kleine ‘ruimte’ waarin men bepaalde biochemische reacties kan bestuderen. Een virus is hier uitermate geschikt voor dankzij zijn sterke eiwitmantel en de mogelijkheid om slechts met bepaalde moleculen te reageren. Deze laatste eigenschap zorgt ervoor dat bepaalde moleculen de eiwitmantel kunnen binnendringen en andere niet. In Nederland zijn onderzoekers er zo in geslaagd om een enkel enzym op te sluiten in een virus waarvan ze de schadelijke inhoud hadden verwijderd. Door te bestuderen welke moleculen in en uit het virus diffundeerden konden ze de werking van dit enzym en de interactie ervan met andere moleculen beter in kaart brengen. Dankzij het onderzoek naar virussen zullen mogelijk steeds betere nanoreactoren kunnen gebouwd worden. Dit is nuttig voor reacties waarin katalysatoren voorkomen. Katalysatoren zijn moleculen die biochemische reacties sneller laten verlopen. Ze zijn immens belangrijk in verschillende industrieën zoals de farmaceutische en voedingsindustrie. Als men katalysatoren zou kunnen opsluiten in een nanoreactor zou men ze veel gerichter kunnen inbrengen in het productieproces waardoor men een betere ecientie kan bekomen. Dit is niet de enige toepassing van nanoreactoren. In iedere industrie waar men zeer kleine deeltjes gericht wil verplaatsen kunnen nanoreactoren oplossingen bieden. Er is ook nog vanuit een ander standpunt interesse in virussen vanuit de nanotechnologie. Men kan verschillende virussen aan elkaar binden om zo twee- of driedimensionale structuren te verkrijgen met virusachtige eigenschappen. De virussen functioneren dan als draagstructuren. Zo kan men druppelachtige structuren maken, of kleine draden. Er wordt volop onderzoek gedaan om deze structuren misschien toe te passen in nanotechnologie. G REVOLUTIONAIR POTLOOD rafeen is een nobelprijswinnend materiaal dat de wereld zal veranderen, zoals de polymeren dat hebben gedaan met plastics. Met wereldtitels als dunste en sterkste materiaal, 200 keer sterker dan staal, kan het niet anders dan interessante perspectieven bieden. U denkt misschien dat door deze eigenschappen het een erg exotisch materiaal moet zijn maar niets is minder waar. Het bestaat uit enkelvoudige laagjes grafiet, ja, het zwarte buisje dat in uw potlood zit. Yoshi Delaey C hemisch gezien bestaat grafeen uit een enkele laag grafiet: koolstofatomen in de vorm van een tweedimensionale honingraat of kippengaasmotief. Wanneer je 3 000 000 van die laagjes op elkaar legt krijg je 1 millimeter grafiet, hiermee is de stelling van dunste materiaal ooit bevestigd. Met één enkele gram grafeen kan je verschillende voetbalvelden beleggen. Niet alleen is het ook het sterkste materiaal maar het is ook nog eens de beste geleider voor warmte en elektriciteit en het kan bovendien al het licht uit het elektromagnetisch spectrum opvangen. Dit gaat van gammastralen die we kennen van PET scans tot radiogolven. Deze kenmerken nodigen uit tot een breed aanbod aan mogelijke toepassingen zoals het distilleren van wodka tot ultrasnelle computers en flexibele schermen. Maak uw eigen supermateriaal: Vooraleer je de bron kan omzetten in iets bruikbaars moet je ze eerst ontginnen. Doorheen de jaren zijn er verschillende technieken ontwikkeld en geëvolueerd. De eerste persoon die grafeen heeft kunnen onderscheiden was Hanns-Peter Boehm, een Duits chemicus, die tevens de uitvinder van de naam grafeen is. Hij deed dit in 1962 door het snel opwarmen van grafietoxide maar de kwaliteit van de bekomen stof was niet goed genoeg om puur grafeen te maken. Dit kwam door de mengelmoes aan ander materiaal. Een tweede optie was het openbreken van grafiet door tussen de atoomlagen verschillende moleculen in te brengen om zo enkelvoudige laagjes grafeen te verkrijgen. Ook deze manier gaf een te slechte kwaliteit. Kwaliteitsvol maar minder spectaculair is de plakbandmethode die iedereen kan uitvoeren, meer dan een potlood en een rolletje tape is er niet nodig. Deze methode werd uitgevonden door Sir Andre Geim en collega’s aan de universiteit van Manchester in 2004. Dit was het begin van zijn werk rond grafeen waar hij samen met Konstantin Novoselov de nobelprijs in 2010 voor kreeg. Het maken van het grafeen kost natuurlijk geld, in 2008 was het een van de duurste materialen om te bekomen, met een prijs van 100 000 000 dollar per kubieke centimeter. Heden ten dage kan het stukken goedkoper, het is nu vooral de prijs van het substraat waarop de koolstof zich bevindt die de prijs bepaalt. Mogelijkheden van Allersnelste pc tot het printen van Zonnepanelen: Wat men het meest hoopt te verwezenlijken is het nog sneller maken van processoren voor computers, zodat de wet van Moore kan worden verder gezet. Grafeen is een denkbare vervanger voor silicium maar het heeft toch ook enkele nadelen. Het is in tegenstelling tot silicium geen halfgeleider. Een halfgeleider is een stof die qua elektrische geleiding het midden houdt tussen een geleider en een isolator, hij is gemakkelijk tot geleiding te brengen door het aanbrengen van andere stoffen. Deze halfgeleiders vormen de kern van transistoren. Het is onmogelijk om via grafeen een transistor aan of af te zetten of om discrete elektrische signalen te verwerken. Men probeert om grafeen te koppelen aan andere stoffen om zo toch halfgeleidereigenschappen te verkrijgen. Dit zou een sprong richting terahertz snelheden zijn, tegenwoordig draaien processoren tussen de 3 en 3,5 gigahertz. Multinational IBM heeft in 2010 al een prototype grafeentransistor gepresenteerd die tot 10 keer sneller was dan siliciumtransistoren. De toekomst ziet er dus rooskleurig uit voor menig snelheidsduivel. Niet alleen op vlak van brute rekenkracht maar ook voor de groengezinden brengt grafeen goed nieuws mee. Het kan gebruikt worden als zonnecel en door zijn stevigheid en flexibiliteit bestaat de mogelijkheid om grafeen als het ware te drukken zoals een krant gedrukt wordt door een drukpers. Zo kijgen we dus niet alleen zonnepanelen in de conventionele vorm zoals ze vandaag de dag op daken te zien zijn. Misschien wordt zonnepaneelmotief wel de nieuwste modetrend en kan je zonder schrik te hebben voor een dode batterij naar je muziekspeler luisteren. Ook zou men hiermee auto’s kunnen bekleden om zo komaf te maken met fossiele brandstoffen. Nog meer groengewijs is de mogelijkheid om het maken van biobrandstof te verbeteren. Dit omdat grafeenoxidemembranen ondoordringbaar zijn voor alle gassen inclusief helium maar ze kunnen tegelijkertijd wel waterdamp doorlaten alsof er geen barrière is. Dit fenomeen kan ook gebruikt worden bij het bereiden van alcoholische dranken. Ook het bereiden van voedsel kan meegenieten van de eigenschappen van grafeen. Het kan namelijk ingewerkt worden in plastics en dienst doen als verpakking om zo voedingswaren langer te bewaren. De eigenschappen als uitmuntende beweegbaarheid, sterkte en goeie elektrische geleiding geven ook aanleiding tot een ander futuristisch product: flexibele touchscreens. Vooral ook omdat de prijs voor de grondstof voor touchscreens die vandaag gebruikt worden, indium tin oxide, vijf tot acht keer duurder is geworden in de laatste 5 jaar. Zo zal bij het laten vallen van een touchscreen gsm het scherm niet barsten en kan je opvouwbare toestellen maken. Meer op het veiligheidsniveau van mensen dan van elektronische toestellen is het vervangen van koolstofvezel door grafeen in composieten voor het bouwen van vliegtuigen waardoor ze lichter en steviger zouden zijn. Ook kan het gebruikt worden als detector van gevaarlijke en giftige moleculen in bijvoorbeeld een chemisch labo. heeft de deuren naar een heel nieuwe wereld geopend, het wordt uitkijken naar de verschillende toepassingen maar geduld zal beoefend moeten worden. [Plakband methode] De plakbandmethode zorgde mee voor de nobelprijs van Sir Andre Geim, als u even in zijn schoenen wilt staan hoeft u enkel maar volgende stappen te volgen: 1. Neem het eerste de beste potlood, rolletje plakband en blad papier bij de hand. 2. Trek een willekeurige lijn op het blad met het potlood. 3. Leg een stukje plakband op de lijn en trek het af. U heeft nu grafietkristallen gesplitst. 4. Herhaal stap 3 om tot één enkele laag grafiet en dus grafeen te komen. Morgen in de winkel of toch nog jaren wachten?: Al deze toepassingen blijven wel nog toekomstmuziek, alleen de flexibele touchscreens lijken toch dicht bij commerciële productie te staan. Zoals Sir Andre Geim het zelf zei met betrekking tot zijn nobelprijs: “Ernest Rutherford’s 1908 Nobel Prize in Chemistry wasn’t given for the nuclear power station, it was given for showing how interesting atomic physics could be”. Het vervangen van silicium voor transistoren zal waarschijnlijk nog jaren aanslepen door het niet halfgeleider zijn van grafeen. Ook het opnemen van licht voor de zonnecellen brengt nog moeilijkheden met zich mee, de efficiëntie ervan ligt voorlopig nog te laag maar dit probeert men te verhelpen door het grafeen te gaan combineren met andere nanostructuren die volgens wetenschappers tot wel 100% efficiëntie kunnen leiden. Een simpel stokje om dingen te kunnen neerschrijven Geim en co lostten de tape op in aceton om dan na een aantal stappen vlokken op een silicium wafer te plaatsen. Dit plaatsten ze dan onder een optische microscoop om te zoeken naar de laagjes grafeen. Computers op draaiende elektronen Nieuw tijdperk voor de computer in zicht! Door Arvid Martens S inds het ontstaan van de elektronische computer in het midden van de vorige eeuw, zijn de afmetingen hiervan zeer sterk afgenomen. De grootte van de onderdelen is immers zodanig afgenomen dat er op die schaal een andere natuurkunde van kracht is, de kwantumnatuurkunde. Met deze kwantumnatuurkunde is het echter mogelijk om de onderdelen van de computer nog kleiner en sneller te maken. Australische onderzoekers hebben zojuist in dit domein een grote stap voorwaarts gezet. De computer heeft sinds zijn ontstaan al een hele lange weg afgelegd. De eerste computers bestonden zelfs nog niet uit elektronische componenten, zoals de rekenmachine van Pascal en de analytical engine Babbage. De volgende stap in de ontwikkeling waren de halfmechanische, halfelektronische computers. Deze gebruikten ponskaarten om hun gegevens op te slaan en hadden dus een mechanische invoer maar werkten voor de rest elektronisch. Later, medio 1940, kwamen dan de eerste volledige elektronische computers, zoals de ENIAC. Deze bestonden toen nog uit vacuümbuizen, omdat de transistor en het daaruit volgende geïntegreerde circuit nog niet was uitgevonden. Vanaf dit punt begonnen de computers exponentieel in grootte te dalen terwijl het aantal transistors en de snelheid bleef toenemen. Draaiende elektronen De spin van elektron is een bizar begrip en ontstond in de jaren 20 van de vorige eeuw als een voorstel om een probleem in het atoommodel op te lossen. Men zag dat de spectraallijnen opsplitsten in twee lijnen wanneer men bepaalde atomen exciteerde in een magneetveld. Het atoommodel kon dit echter niet verklaren. Dit kon enkel een opsplitsing in een oneven aantal gaan verklaren. Dus werd de elektronspin voorgesteld om dit op te lossen. Door het magnetisch veld worden de elektronen gesplitst in twee groepen spin-up en spin-down elektronen waarvan de energie verschilt, wat de twee lijnen verklaart. Hiermee was het probleem opgelost, alleen wist men niet wat de aanleiding was tot deze elektronspin. In 1928 kwam Paul Dirac met een vergelijking waaruit het bestaan van de elektronspin naar voren komt. Dit is overigens dezelfde vergelijking die de voorspelling gaf tot twee vormen van materie: materie en antimaterie. Alhoewel men het elektron meestal voorstelt als tollende deeltjes vanwaar de naam elektronspin afkomstig is, is dit in de werkelijkheid minder waar. Men ziet de spin als iets dat eigen is aan het deeltje, net zoals massa eigen is aan een deeltje. Tegenwoordig bestaan de computers uit transistors waarvan de grootte slechts een miljoenste van een millimeter is. Ter vergelijking dit is nog duizend keer kleiner dan de diameter van het menselijk haar dat een diameter van 0.05 millimeter heeft. Echter zorgt deze miniaturisatie van computeronderdelen voor ongewenste factoren die verdere miniaturisatie kunnen tegenwerken. Op deze microscopische schaal treden er kwantumeffecten op waardoor de klassieke natuurkunde niet meer van kracht is. Men treedt binnen in de wereld van de kwantumnatuurkunde. Het zijn deze effecten die verdere miniaturisatie in de weg staan maar tegelijkertijd aanleiding kunnen geven tot een nieuwe generatie van computers, de kwantumcomputers. De kwantumcomputers zouden in tegenstelling tot de klassieke computers in staat zijn om bewerkingen sneller uit te voeren. Ook kunnen de kwantumcomputers sommige bewerkingen uit voeren die voor een klassieke computer onmogelijk zijn. Het geheim zit hem hier in het gebruik van de zogenaamde ‘spin’ van deeltjes. Een elektron bijvoorbeeld heeft twee soorten van deze spin wat men in de kwantumfysica spin-up en spin-down noemt. Juist omdat het elektron maar twee soorten spin heeft, kan deze gebruikt worden in de kwantumcomputer. Een computer werkt immers met een samenstelling van nullen en enen om een uitkomst te bekomen. Men kan een bit simpel voorstellen als een lamp, waarbij de lamp aan een 1 voorstelt en de lamp uit een 0 voorstelt. Door een schakeling van de uitgeschakelde en aanstaande lampen kunnen we een bepaalde toestand creëren. Veranderen we nu een lamp dan hebben we een andere toestand van enen en nullen. De twee soorten spin van een elektron kunnen nu geassocieerd worden aan de nullen en enen. Het voordeel van het gebruik van spin zit hem erin dat in de kwantumnatuurkunde men niet kan zeggen in welke positie het zich bevindt. We kunnen dus zeggen dat het elektron spin-up en spindown is ten opzichte van het klassieke beeld één of nul. Zoals Andrea Morello zegt: “Particles can be in different places at the same time. Spins can point in different directions at the same time.” Lezen van een draaiend elektron We kunnen wel een elektronspin gaan associëren met een bepaalde toestand (0 of 1) maar dan blijft nog steeds het probleem van het bepalen van deze spin. Dit is een fundamenteel probleem, want als de nullen en enen niet bepaald worden, hoe gaat de computer dan bewerkingen kunnen uitvoeren? Australische onderzoekers aan de universiteit van New South Wales hebben deze belangrijke vraag proberen op te lossen. Ze hebben hierin dan ook een grote stap voorwaarts gezet door het uitlezen van een enkele elektronspin in silicium. Voorlopig is het bepalen van de elektronspin van een enkel elektron bewerkstelligd. Het uitlezen van deze elektronspin gebeurt met wat men in de kwantumfysica ‘tunneling’ noemt. Dit is een ENIAC: de eerste supercomputer De eerste elektronische computer was de ENIAC (Electronic Numerical Integrator And Computer) in 1946. De computer had in tegenstelling tot de computers in het heden buitensporige proporties, ze woog 30 ton en was ongeveer 30m lang. Deze grote omvang was het gevolg van de gebruikte gebeurtenis die verklaard wordt in de kwantumfysica en alle zin voor werkelijkheid tart. De tunneling is immers de gebeurtenis waarbij een deeltje door een barrière breekt, waardoor die volgens de klassieke fysica nooit zou kunnen breken. Men kan dit vergelijken met iemand die naar een stenen muur zou lopen en hier gewoon zou doorlopen. Dit alles komt doordat de kwantumfysica met kansen en de daar aan verbonden onzekerheden werkt, er is volgens de kwantumfysica immers altijd een kans dat het deeltje zich achter de barrière bevindt. Deze tunneling is van essentieel belang bij het bepalen van de elektronspin. De methode om elektronspin uit te lezen maakt immers materialen, voornamelijk vacuümbuizen. Alhoewel ze het nu zou afleggen tegen de moderne computers was de ENIAC een revolutie, ze deed minder dan een minuut over een berekening waarover een normaal persoon meer dan een dag zou doen. De ENIAC deed 10 jaar dienst maar raakte in 1955 beschadigd en werd daarna nooit meer gebruikt. gebruik van een sensor die gescheiden wordt van twee reservoirs, die elektronen kunnen afgeven aan de sensor, door middel van een barrière. De elektronen kunnen door deze barrière breken wanneer de positie in één van de onderdelen gunstiger is in energie. Dit komt tot uiting in de potentiaal, dit is de energie die het deeltje heeft wanneer het in een bepaald onderdeel zit, van de onderdelen. Wanneer de potentiaal in de sensor lager is dan in de reservoirs dan zullen er deeltjes van de reservoirs naar de sensor gaan. Ook de omgekeerde weg kan gevolgd worden door de potentialen aan te passen. Men kan nu de elektronspin gaan bepalen door te werken in verschillende stappen. Allereerst moeten er spanningen aangelegd worden over het systeem van de sensor en reservoirs. Deze spanning dient om de potentialen van de onderdelen te gaan veranderen. De spanning werd ook zodanig ingesteld dat er een stroom loopt door het systeem zolang het elektron zich in het gebied van de sensor bevindt. De stoom wordt nul wanneer het elektron in de reservoirs zit. Ten laatste moet er nog een magneetveld worden aangelegd over de reservoirs. Dit magneetveld zorgt voor het verschil in spin-up en spin-down. Wanneer dit allemaal gebeurd is, kunnen we beginnen met het uitlezen van de elektronspin. In de eerste fase worden de potentialen zodanig aangepast zodat een elektron van de sensor naar de reservoirs ‘tunnelt’. De stroom wordt hierdoor nul en door de aanwezigheid van het magneetveld zal het elektron naargelang zijn spin een bepaalde potentiaal bezitten. In een tweede fase worden potentialen terug aangepast maar zodanig dat de potentiaal van de sensor kleiner is dan de potentiaal van de spin-up Voorstelling van drie stappen tijdens het uitlezen. Uitvergroting van de opstelling. De SET is de sensor. maar groter is dan de potentiaal van de spindown. Hierdoor kunnen enkel elektronen met spin-up terugkeren naar de sensor, waardoor er terug stroom loopt. Deze stroom is echter van korte duur omdat tegelijkertijd met de tunneling van een spin-up naar de sensor een spin-down tunnelt naar het reservoir en de stroom terug op nul brengt, zijn potentiaal is immers lager in het reservoir. Wanneer het oorspronkelijke elektron nu spin-down is, dan kan deze niet tunnelen en dus loopt er geen stroom voor een fractie van een seconde. Op het laatste wordt het elektron in het reservoir terug naar de sensor gebracht om terug in de oorspronkelijke situatie te zitten. Natuurlijk zijn er ook nadelen aan deze methode van uitlezen, vooral wanneer de tijd tussen de eerste fase en de tweede fase lang duurt. Wanneer een spin-up elektron tunnelt naar het reservoir dan kan dit terugvallen naar een spin-down elektron omdat deze een lagere potentiaal hebben en elk deeltje wil nu eenmaal een zo laag mogelijke energie/potentiaal bezitten. Hoe langer de tijd des te meer kans er bestaat dat het spin-up elektron naar een spin-down vervalt wat het uitlezen van elektronen bemoeilijkt. Nog niet voor morgen Het bepalen van de spin van één elektron kan nu wel bepaald worden maar voor men daadwerkelijk een commerciële computer kan ontwikkelen zullen er nog heel wat stappen moeten gezet worden. Een voorbeeld hiervan is het manipuleren van de spin door extra energie toe te voegen aan het elektron waardoor ze spin-up of down worden. Dit en nog enkele andere hindernissen moeten overbrugd worden vooraleer de kwantumcomputer beschikbaar wordt voor het brede publiek. Illustratie voor de duur van de ontwikkeling zijn de woorden van de onderzoekers: “After a decade of work trying to build this type of single atom qubit device, this is a very special moment.” Zoomen op atomen! Van de optische microscoop tot het tellen Door Mathias Pattyn van atomen. N anodeeltjes. Het zijn deeltjes die uit slechts één tot enkele duizenden atomen bestaan. Hun invloed op ons dagelijks leven wordt soms vergeten. Door hun opmerkelijke en unieke eigenschappen worden ze gebruikt in tal van technologieën die reiken van zonnecellen tot in de medische sector. Deze eigenschappen, echter, moeten tevoorschijn komen door onder andere de 3D-structuur zo nauwkeurig mogelijk voor te stellen. Het is en blijft een uitdaging om zo diep mogelijk op nanodeeltjes in te zoomen. Maar onlangs zijn wetenschappers er dus toch in geslaagd om een goede methode te ontwikkelen. Antoni van Leeuwenhoek wordt meestal genoemd als uitvinder van de microscoop. Hij was echter degene die de bestaande optische microscoop sterk wist te verbeteren . Dit betekende het begin van een lange weg die de optische microscoop aflegde tot de elektronenmicroscopie die we de dag van vandaag kennen met als doel het waarnemen van steeds kleinere materie. De elektronenmicroscoop werd gebouwd omstreeks 1931 door de Duitse natuurkundige Ernst Ruska en de Duitse elektrotechnicus Max Knoll. Dit prototype kon echter nog geen betere resolutie leveren dan de lichtmicroscoop. Maar in 1933 kwam daar verandering in en vervolgens werd in 1939 de eerste commerciële transmissieelektronenmicroscoop (TEM) gebouwd. Een transmissieelektronenmicroscoop schiet als het ware elektronen af op een preparaat waardoor ze worden afgebogen. Daarna worden deze geprojecteerd op een fluorescerende plaat zodat ze zichtbaar worden. Deze beelden worden vastgelegd op een fotografische film. Zilvernanodeeltje gevisualiseerd door het EMAT-team We kunnen via transmissieelektronenmicroscopie tot 1,000,000 keer vergroten met een resolutie die beter is dan 0.1 nm. Echter zijn de bekomen beelden via TEM slechts een 2D voorstelling. Daarom moest men een techniek ontwikkelen om 3D-structuren te reconstrueren. Een veelgebruikte techniek is tomografie: dit is een serie 2D-projecties roteren rond een as om zo tot een 3D-structuur te komen. Doch kan deze slechts deeltjes voorstellen tot op de orde van 1 nm³, terwijl de 2D-resolutie van de orde tot op 0.1 nm is. Dus moest men met een beter methode voor de dag komen. Dit is waar de wetenschappers van het EMAT-labo te Antwerpen in beeld komen.Qu-Ant-EM Het ontwikkelen van zo’n nieuwe methodologie vereist natuurlijk een extreem krachtige microscoop. Het onderzoeksteam maakte gebruik van de Qu-Ant-EM elektronenmicroscoop die zich bevindt in het EMATlabo. De Qu-Ant-EM is één van de nieuwste generatie elektronenmicroscopen en is sinds 2010 operationeel. Deze microscoop neemt beelden op door middel van donkerbeeldvorming met behulp van raster transmissie-elektronenmicroscopie (High-Angle Annular Dark Field Scanning Transmission Electron Microscopy of HAADF STEM). Het is logisch dat zo’n krachtige machine zo weinig mogelijk beïnvloed mag worden door de omgeving. Vandaar dat deze opgesloten is in een houten kist in een overkoepelend gebouw. Dit schermt het apparaat af voor magnetische en elektrische invloeden maar ook voor plotse temperatuurverschillen. De ontwikkelde methode zorgt ervoor dat een nanodeeltje zo georiënteerd is dat de atomen zich achter elkaar bevinden ten opzichte van de elektronenbundel. Vervolgens kan men een 3D-constructie maken van het nanodeeltje aan de hand van meerdere teldata uit verschillende hoeken. 1,2,3,… Atomen tellen is belangrijk omdat men zo de exacte 3D-stuctuur van het deeltje kan bepalen. Om de atomen zo exact mogelijk te tellen, moet gebruik gemaakt worden van de opgemeten intensiteit. De is een kwaliteitsmaat die kwantificatie mogelijk maakt, gebruik makende van statistische parameterschattingstheorie. Na het tellen van de atomen in alle atoomkolommen, wordt er op basis van de telresultaten met enkele specifieke voorwaarden een 3D-reconstructie van het nanodeeltje ontwikkeld. De twee voorwaarden zijn dat de atomen zich steeds op een regelmatig kristalrooster bevinden (dit is in realiteit niet zo) en dat de atomen discrete objecten zijn (dus een half atoom kan niet voorkomen op een roosterpunt). Met behulp van wiskundige technieken en algoritmes bekomt men dan uiteindelijk een 3D voorstelling van het nanodeeltje En verder? Men verwacht dat de voorstellingen bekomen met deze nieuwe methode zullen bijdragen tot het ontwikkelen van nieuwe materialen met revolutionaire eigenschappen. Bijvoorbeeld zal men nieuw inzicht kunnen verwerven in katalysatoren die onder andere gebruikt worden in de autoindustrie. Ook zal men er in kunnen slagen om de efficiëntie van zonnecellen, computerchips, lasers en LED verlichting te verhogen. Toch blijft het nog steeds een uitdaging om nog dieper te kunnen inzoomen. Vroege universum was vloeibaar! Hoogste temperatuur ooit gecreëerd, bevestigt nieuwe fase van materie Door Arne De Coster I Alle materie en energie van het heelal, evenals tijd en ruimte zelf ontstonden zo’n 13,7 miljard jaar geleden tijdens de oerknal. Wetenschappers proberen al lang te herhalen wat er precies die eerste seconden gebeurd is. Door alsmaar krachtigere telescopen te ontwerpen kunnen ze steeds verder terug kijken in de tijd. Maar er zit een limiet op, voordat het heelal genoeg was afgekoeld liet het geen licht door. Daardoor kan men alles wat voor de eerste 370 000 jaar gebeurde onmogelijk waarnemen. Erg jammer n de Relativistic Heavy-Ion Collider (RHIC) doen de natuurkundigen van Brookhaven de oerknal na. Door botsingen van goudatomen bereikte men voor het eerst temperaturen hoger dan 2 000 000 000 000 °C! Bij deze extreme omstandigheden nam men een exotische toestand waar, waarbij de fundamentele deeltjes van materie: Quarks en Gluonen; los voorkwamen. Deze toestand -ook wel Quark-Gluon Plasma genoemd- werd al jaren theoretisch voorspeld en is nu ook experimenteel waargenomen. want het zijn juist deze eerste momenten die zo bepalend waren voor de huidige structuur van ons heelal en ons inzicht kunnen geven in een aantal fundamentele problemen die de fysica vandaag ondervindt. nabootsen. Men is er nu al enkele jaren mee bezig en de resultaten van de RHIC zijn daarin een nieuwe mijlpaal. Het geeft ons de eerste inzichten in een opmerkelijke faseovergang die in de eerste microseconde plaatsvond. “Veruit de belangrijkste vondst in de kernfysica van de laatste jaren.” Nu heeft de wetenschap daar iets op gevonden. Wat er precies na de oerknal gebeurde zal men nooit kunnen waarnemen, maar men kan de omstandigheden Door de hoge energie die aanwezig was werd de bindingsenergie binnen de protonen overwonnen waarna deze net zoals alledaagse vaste stoffen ‘smolten’. “Dit is de eerste keer sinds 13 miljard jaar dat dit spul in het heelal voorkomt”, zegt de directeur van hoge energieonderzoek bij Brookhaven, Sam Aronson. Dat deze vreemde faseovergang een grote impact had op ons heelal zal niemand verbazen. Kosmologen werken nu hard samen met de wetenschappers uit Brookhaven om hun modellen aan te passen aan de resultaten van de RHIC. Ook de subatomaire fysica heeft alle belang bij dit onderzoek. Zo denkt ook Ulrich Heinz, theoretische fysicus aan de Ohio State University : “Ik denk dat dit resultaat veruit de belangrijkste vondst in de kernfysica is van de laatste jaren. Het resultaat is verrassend, maar het past wel binnen huidige theoriën. ” Quarks en Gluonen staan in voor 99% van alle zichtbare massa van het universum. Maar toch is hun gedrag nog niet volledig begrepen. Dit komt omdat quarks onder normale omstandigheden nooit vrij voorkomen maar in paren van 3 dicht bij elkaar gehouden worden door de sterke kernkracht. Uit de eigenschappen van het quark-gluon plasma kan men veel leren en deze kennis heeft het potentieel om bij te dragen tot meer alledaagse problemen zoals nieuwe vormen van kernenergie of medische stralingsfysica. En de wetenschap staat niet stil. Terwijl men in het RHIC dieper ingaat op de eigenschappen van het quark-gluon plasma, is men de grenzen alweer aan het verleggen met de LHC. Deze zal enkele weken gebruikt worden om de temperatuur van het quark-gluon plasma met een factor 10 op te drijven en zo nog verder terug te gaan naar de eerste momenten na de oerknal. Nieuw licht op wetenschap I n Nederland wordt momenteel een vrije elektronlaser gebouwd, die bestaat uit twee oude vrije elektronenlasers. Felix en Felice worden verhuisd naar een nieuwe locatie en samengevoegd tot FLARE. In september werd deze laser voor de eerste keer uitgetest en hoewel er nog wat werk aan de winkel is, zendt deze laser al licht uit. Maar wat is een vrije elektronenlaser eigenlijk? En waarvoor wordt het gebruikt? Door Florian Bonte Wat is een laser? Een normale laser bestaat uit een ‘medium’ en een ‘pomp’. Het medium is de stof waaruit de laser bestaat: dat kan een gas zijn zoals helium-neon, argon CO2, of een vaste stof zoals bijvoorbeeld een robijn, een halfgeleider of een vloeistof zoals in een kleurstoflaser. Dit medium bestaat uit deeltjes (afhankelijk van het type zijn dit elektronen, atomen of moleculen) die energie krijgen van de ‘pomp’. Dit is bijvoorbeeld elektrische energie, warmte van een chemische reactie, licht of zelfs een andere laser. Wanneer deze deeltjes energie krijgen, gaan ze naar een hoger energieniveau. Normaal gezien gaan deeltjes die in een hoger energieniveau zitten na een tijdje vervallen naar hun normale, lage energieniveau. Bij een laser is het de bedoeling dat het grootste deel van alle deeltjes in een hoger energieniveau zitten vooraleer ze beginnen terug te vallen naar hun lage niveau. Als alle deeltjes in het hoge energieniveau zitten spreekt men van een populatie-inversie. Wanneer een deeltje terugvalt naar een lager energieniveau, dan moet het zijn energie afgeven op één of andere manier. Dit gebeurt door een foton af te geven: het deeltje waaruit licht bestaat. Nu gebeurt er bij een laser iets speciaals: een foton kan bij een ander deeltje komen voordat dit vervalt naar een lager niveau, en er daar voor zorgen dat dat deeltje een ander foton uitzendt. Nu heb je twee fotonen, en door een speciale eigenschap van de kwantummechanica is dit foton identiek aan het vorige: het heeft onder andere dezelfde richting en dezelfde kleur. Op die manier krijg je een soort van kettingreactie waarbij steeds meer deeltjes dezelfde fotonen produceren, totdat er een lichtbundel ontstaat met een hoge intensiteit en met dezelfde kleur. Om het effect nog wat te versterken kun je twee spiegels aan weerszijden van de laser zetten, zodat een deel van het licht wordt teruggekaatst en zo de kettingreactie kan blijven verderzetten. Zo’n laser kan in heel veel toepassingen gebruikt worden, zoals geneeskunde, wetenschappelijk onderzoek of industriële toepassingen. Dit heeft één groot nadeel: het aantal golflengten die de laser kan uitzenden is beperkt. Dit komt omdat een medium slechts enkele verschillende energieniveaus heeft. Maar een groot aantal toepassingen vereist een continu spectrum. Hier komen vrije elektronenlasers in het zicht: zij kunnen wél een continu spectrum aan. Vrije elektronenlasers Bij een vrije elektronenlaser bestaat het medium uit losse elektronen die door een deeltjesversneller (de pomp) naar heel hoge energietoestanden kan worden gebracht. De elektronen worden versneld totdat ze ongeveer de lichtsnelheid hebben bereikt. Hierna worden ze in een zogenaamde undulator gebracht die bestaat uit een aantal elektromagneten die zodanig geplaatst zijn dat de noord- en zuidpolen elkaar afwisselen en de elektronen een golfbeweging gaan maken. Hierdoor gaan ze licht uitstralen. Het leuke eraan is dat door de energie van de elektronen en de magneetvelden precies in te stellen, men de golflengte van de fotonen kan bepalen. Hierdoor zijn vrije elektronenlasers heel interessant voor wetenschappelijk onderzoek. Ze hebben dan ook een breed toepassingsgebied, zoals spectroscopie, geneeskunde en zelfs militaire doeleinden: onlangs installeerde Boeing een prototype van een vrije elektronenlaser op een schip, met de bedoeling vijandelijke doelen te vernietigen. FLARE Aan de universiteit van Radboud in Nijmegen wordt momenteel gewerkt aan de ontwikkeling van een nieuwe vrije elektronenlaser: FLARE (Free-electron Laser for Advanced spectroscopy and high-Resolution Expe­riments). Deze wordt opgetrokken aan de hand van twee oude vrije elektronenlasers: FELIX en FELICE, die vroeger in het Fundamenteel Onderzoek der Materie-instituut stonden, het huidige het Nederlands Instituut voor fundamenteel energieonderzoek te Rijnhuizen. Deze nieuwe laser zal gebruikt worden om wetenschappelijk onderzoek te verrichten. Eén van de onderzoeksthema’s is het gedrag van elektronen en hun spin in een sterk magnetisch veld (tot 30 tesla). Dit is belangrijk in onder meer het onderzoek naar spinquantumcomputer. Deze laser kan ook gebruikt worden in het onderzoek naar de samenstelling van grote biologische moleculen. Botsen zonder gevaar! Van supergeleiding naar de nieuwe computer W etenschappers zijn de laatste decennia zeer druk bezig met het zoeken naar de ‘holy grail’ der computers: de kwantumcomputer. Een gebied dat men onderzoekt in de ontwikkeling van de kwantumcomputer is het maken van spinafhankelijke stromen. Het is nu net op dit gebied dat er de laatste jaren een grote vooruitgang geboekt werd. In deze spinafhankelijke stroom wordt gebruik gemaakt van een bijzonder fysisch verschijnsel: supergeleiding. Door Arvid Martens D e overgang van elektronica naar spintronica is al enkele jaren aan de gang. Momenteel is deze overgang nog niet zo groot maar in de toekomst zullen alle elektronische apparaten vervangen worden door een spintronisch equivalent. In het kort komt het erop neer dat de alledaagse toestellen zullen werken via de spin van elektronen. Een vraag die wetenschappers de laatste decennia proberen te beantwoorden is: hoe kan men een spin afhankelijke stroom creëren? De oplossing die men voorstelt maakt in alle gevallen gebruik van supergeleiders. Superstroom Supergeleiders zijn in wezen materialen die een bijzondere eigenschap hebben, namelijk dat ze geen weerstand bieden voor de elektrische stroom. Supergeleiding werd voor het eerst vastgesteld door de Nederlander Heike Kamerlingh Onnes(zie kaderstuk) in het jaar 1911. Hij zag dat kwik vanaf een bepaalde temperatuur geen weerstand meer bood tegen de elektrische stroom. Zelfs nadat de elektrische spanning over het kwik verwijderd was, bleef de stroom toch lopen. Dit was een bijzonder fenomeen. Vergelijk het maar met je koffiezet die aangeschakeld blijft, ook al heb je de stekker uitgetrokken. Sommigen zouden nu misschien denken dat het gebruiken van supergeleiding een goed idee is om de energiekosten te beperken. Dit is echter minder waar. Supergeleiding Heike Kamerlingh Onnes(1853-1926) was een Nederlands natuurkundige die bekend geworden is door de ontdekking van supergeleiding. Lange tijd werd gesteld dat deze ontdekking bij toeval gebeurde. Dit is echter niet waar. In een recent ontdekte aantekening zag men immers dat hij zocht naar dit fenomeen. Onnes, geboren in Groningen, studeerde af in de wis- en natuurkunde waarna hij in 1882 professor werd aan de universiteit van Leiden. Hier hield hij zich bezig met het onderzoeken van materiaaleigenschappen bij lage temperaturen. Hiervoor kreeg hij in in 1913 ook de Nobelprijs voor de natuurkunde. Naast de ontdekking van supergeleiding was hij ook de eerste die helium vloeibaar had kunnen maken. Zijn leerling Willem Keesom ging nog een stap verder en slaagde er als eerste in helium vast te maken. treedt maar op wanneer het materiaal zeer sterk gekoeld is. De temperatuur wanneer supergeleiding voorkomt ligt in de meeste gevallen rond de -200° Celsius. De kosten om het materiaal zo sterk af te koelen en zo koud te houden, liggen hoger dan wanneer men geen supergeleiding zou gebruiken. Er bestaat wel zoiets als hoge temperatuur supergeleiding maar ook hier is de kritische temperatuur zeer laag. Waar zijn supergeleiders dan wel goed voor als het gebruik veel geld kost. Een eerste reden is zoals hierboven vermeld dat de stroom geen weerstand ondervindt. Het hoe en waarom bleef lange tijd een vraag en werd in de jaren 50 opgelost door Bardeen, Cooper en Schrieffer. Hun theorie stelde dat elektronen zich aan elkaar gingen binden en zogenaamde cooperparen gingen vormen. Dit is misschien een bizar idee, want je zou denken dat twee negatief geladen deeltjes elkaar afstoten, ‘opposites attract, equals repel’. Deze paarvorming zorgt ervoor dat de elektronen toetreden tot de wereld van de bosonen. Hierdoor kunnen ze allemaal een zelfde energie bezitten. Nu zou men verwachten dat elektronenparen gaan botsen tegen de positieve roosters wanneer deze een stroom vormen. Dit gebeurt echter niet omdat de energie die overgedragen wordt tijdens deze botsing verboden is door de elektronparen. Er vormt zich met andere woorden een kloof van energietoestanden die verboden zijn voor het elektronpaar. Deze kloof wordt groter naarmate men de temperatuur meer en meer verlaagt. De kloof wordt echter nul wanneer men zich op de kritische temperatuur bevindt. Dus zoals men al kon raden zal bij een botsing het Cooperpaar dan breken en de supergeleiding zal verdwijnen. Zwevend metaal Supergeleiding heeft nog een belangrijk direct gevolg. Zoals misschien al enkelen gezien hebben zorgt een veranderend magnetisch veld voor een elektrische stroom in een keten. Concreet betekent dit dat wanneer men een magneet naar een gesloten kabel toebrengt, dan zal er hier stroom vloeien. Ook de omgekeerde redenering geldt: een elektrische stroom zorgt voor een magnetisch veld. Breng thuis eens een kompas in de buurt van een stroomvoerende elektrische kabel. Je zult zien dat de naald begint uit te wijken. Wanneer men nu in plaats van een gesloten kring een supergeleider neemt, en een magneet in de buurt brengt dan zal een spanning en dus stroom ontstaan. Houdt men de magneet stil, dan zal de elektrische spanning wegvallen maar blijft de stroom bestaan. Het is immers een superstroom. Deze stroom zal dan zoals hierboven vermeld ook een magnetisch veld opwekken maar zodanig dat dit tegengesteld is aan het oorspronkelijk. Dit zorgt ervoor dat de magneet en de supergeleider elkaar afstoten. Dit heet het Meissner-effect en heeft tal van toepassingen zoals de MAGLEV trein. Deze trein zweeft boven de rails waardoor de wrijving klein wordt. Bosonen vs fermionen In de fysica kent men verschillende soorten deeltjes die men in verschillende klassen opdeelt. Twee klassen zijn de fermionen en de bosonen. De fermionen zijn de bekendste omdat hierin alledaagse deeltjes als elektronen zitten. De bosonen zijn iets minder bekend maar komen de laatste tijd meer en meer in de media. Wie kent het befaamde Higgs-boson niet. Het verschil tussen bosonen en fermionen zit hem in de spin en nog tal van zaken. De fermionen voldoen aan de zogenaamde Fermistatistiek terwijl bosonen voldoen aan het Bose-einsteinstatistiek. Hiervan zijn ook hun namen afgeleid. De belangrijkste gevolgen zijn dat de bosonen in tegenstelling tot fermionen niet moeten voldoen aan het uitsluitingprincipe. Dit uitsluitingprincipe zegt dat elk deeltje zich in een andere toestand moet bezitten. Bosonen moeten hier niet aan voldoen en kunnen dus allemaal dezelfde toestand hebben. Nog een andere eigenschap is dat de spin bij bosonen altijd heeltallig is terwijl dit bij een fermion halftallig is. Supergeleiders spin- tronica en Wat hebben deze supergeleiders nu echter te maken met de spintronica? In de spintronica werkt men zoals eerder gezegd met de spin van deeltjes. Nu kunnen de supergeleiders zorgen voor een superstroom waarin slechts bepaalde spintoestanden kunnen voorkomen. Dit werd gedaan door tussen twee supergeleiders een magnetische plaat te schuiven. Deze plaat zorgt er dan voor dat slechts bepaalde spinparen kunnen overleven in de plaat en er dus een superstroom ontstaat waarin enkel deze spinparen voorkomen. Deze spinstromen zouden dan in combinatie met de spintransistor en nog andere spintronische toestellen aanleiding kunnen geven tot de kwantumcomputer. Historie van fagen Z elfs het kleinste levend wezen is ongelooflijk ingewikkeld. Een simpele bacterie heeft een genoom met duizenden genen. Al deze levende wezens worden bestudeerd door de biologie, op de schaal van atomen en moleculen. Al deze levende wezens gehoorzamen natuurlijk ook aan de basiswetten van de chemie en de fysica, van de mechanica en de thermodynamica. De grote vraag is dan: hoe eenvoudig moet een levend systeem zijn voordat het zin heeft het te proberen te begrijpen vanuit een puur fysisch standpunt? Virussen hebben altijd al een speciale rol gespeeld in het kader van deze vraag. Door Sarina Geldhof Virussen zijn namelijk geen echte levende wezens. Ze zijn levend in zoverre dat ze vermenigvuldigen, en ze gelijkaardige genomen hebben als planten, bacteriën en dieren. Ze zijn voor deze vermenigvuldiging echter afhankelijk van andere levende wezens. Zonder gastheer kan een virus niet bestaan, zelf doen ze niets. Tussen replicaties door gedragen virussen zich niet anders dan bijvoorbeeld een microscopisch klein piepschuimbolletje. Dit zorgt ervoor dat virussen zeer eenvoudige genomen hebben, en vaak een zeer eenvoudige opbouw. Sommige virussen hebben bijvoorbeeld slechts twee genen en twee samenstellende componenten. Deze simpliciteit maakt ze zeer geschikt om een poging te wagen ze te begrijpen vanuit een puur fysisch standpunt. Vele wetenschappers hebben al op een of andere manier bijgedragen aan dit onderzoek. Het begint natuurlijk allemaal bij de ontdekking van virussen. Een van de eerste doorbraken op het gebied van virussen kwam met de ontdekking van vaccinatie. In 1716 ontdekte lady Mary Wortley Montagu, de vrouw van de Britse ambassadeur in Istanbul, daar een lokaal gebruik dat beschermde tegen de pokken: men injecteerde pus van pokkenslachtoffers in de huid van gezonde personen. Ze bracht dit principe mee naar Engeland waar het algauw in gebruik raakte nadat bewezen was dat het effectief werkte. Edward Jenner ontdekte het eerste ‘echte’ vaccin tegen de pokken: het koepokkenvirus, een relatief mild virus. Na inenting met het koepokkenvirus werden mensen immuun voor de pokken. In 1885 vond Louis Pasteur op gelijkaardige manier een vaccin tegen hondsdolheid. Hij kon echter de oorzaak van de ziekte niet vinden, en suggereerde dan het pathogeen te klein was om microscopisch te ontdekken. Pas in 1898 werd het idee geïntroduceerd dat de besmettelijke ziekteverwekkers een nieuwe vorm waren, en dus geen microben of bacteriën. Deze theorie werd geformuleerd door Martinus Beijerinck, een Nederlands microbioloog, na experimenten met een Chamberland filter, met poriën kleiner dan bacteriën. Hij herdefinieerde ook het woord ‘virus’, dat voordien gebruikt werd voor alle oorzaken van besmettelijke ziekten. Begin van de virologie Met de uitvinding van de elektronenmicroscoop in 1931 kon de structuur van virussen eindelijk bestudeerd worden. Men ontdekte zo dat sommige virussen complexe structuren hadden, maar meestal wel sferisch. De grootte kon ook bestudeerd worden, op nanometerschaal. In 1935 bestudeerde Wendell Stanley de kristallisatie van het tabaksmozaïeksvirus. Dit maakte nog maar eens duidelijk dat virussen niet zomaar een kleinere vorm van microben waren, maar structuren uit vooral proteïnes. Virussen kunnen kristalliseren aangezien alle kopieën van een type identiek hetzelfde zijn. Heinz Fraenkel-Conrat en Robley Williams slaagden er in 1955 in om datzelfde tabaksmozaïeksvirus te construeren uit pure basiscomponenten, namelijk een bepaald RNA-molecule en een bepaalde proteïne. In 1956 leverden Francis Crick en James Watson, de ontdekkers van DNA, een belangrijke bijdrage aan de studie van virussen door hun theoretische argumentatie dat dat de mantel van een virus bestaat uit meerdere kopieën van een klein eiwit, en niet uit een enkel supereiwit. Ze kwamen tot dit besluit nadat ze hadden berekend dat er maximum slechts 50 genen in het capside van een virus passen. Dit vormt een genoom dat bijlange na niet groot genoeg is om de code te bevatten voor een supereiwit. [Het Luria-Delbrück experiment] Luria en Delbrück onderzochten in dit experiment de resistentie van bacteriën tegen fagen. Hiervoor kweekten ze een aantal bacteriën in aparte kweekbuisjes. Na een periode van groei brachten ze ieder buisje met bacteriën aan op een plaatje geïnfecteerd door een faag. Hierbij waren er twee mogelijke scenario’s: ofwel was resistentie een antwoord op de blootstelling aan fagen, ofwel was het een genetische overerfbare mutatie. In het eerste geval zou er op iedere plaatje ongeveer eenzelfde aantal resistente bacteriën zijn, aangezien er telkens dezelfde kans is dat een bacterie resistentie vertoont. In het tweede geval zou er een duidelijk verschil zijn tussen de verschillende plaatjes. In het experiment namen ze het tweede scenario waar. Dit toonde aan dat resistentie een toevallige, overerfbare genetische mutatie is die later voor voordeel zorgt bij de blootstelling aan fagen. Hierin herkent met de theorie van Darwin: natuurlijke selectie die gebeurt op basis van genetische mutaties. The Phage Group Het was toen ook de tijd van The Phage Group, een informeel netwerk van biologen gecenterd rond Max Delbrück, een fysicus die bioloog geworden was. De groep kreeg zijn naam naar de virussen die ze gebruikten als modelorganismen: de bacteriofagen, of kortweg fagen. Fagen zijn virussen die specifiek bacteriën viseren en aanvallen. De groep deed onderzoek naar de moleculaire basisaspecten van de genetica en naar de synthese van proteïnes door DNA. Daarvoor gebruikten ze fagen aangezien hun gastheren, bacteriën, beter begrepen en gemakkelijker te manipuleren waren dan de gastheren van andere virussen, namelijk mensen en dieren. Het begon allemaal in 1937, toen Max Delbrïck voor het eerst in aanraking kwam met fagen in het laboratorium van Emory Ellis in Caltech. De volgende jaren werkten ze samen aan methodes om fagen te tellen en hun groeicurves te bestuderen. In 1940 ontmoette Delbrück de microbioloog Salvador Luria. Dit wordt gezien als het echte begin van de Phage Group, aangezien de twee begonnen samen te werken aan experimenten over de patronen van infectie door verschillende fagen. Ze ontdekten zo algauw dat een bepaalde bacterie maar door een soort faag kan geïnfecteerd worden. In 1943 vond hun belangrijkste experiment plaats, de fluctuatietest. Later werd dit experiment hernoemd naar het Luria-Delbrück experiment (zie kader). Dit experiment toonde aan dat genetische mutatie gebeurt in de afwezigheid van natuurlijke selectie, in plaats van een antwoord te zijn op selectie. Darwin’s theorie van natuurlijke selectie die optreedt na willekeurige mutaties is dus ook van toepassing bij bacteriën. In datzelfde jaar begonnen Delbrück en Luria ook samen te werken met Alfred Hershey, een andere faagonderzoeker. In 1969 ontvingen ze samen de Nobelprijs voor de Fysiologie of Geneeskunde voor hun werk over de replicatie en genetica van virussen. Tijdens die jaren ‘40 zorgde Delbrück door zijn charme en enthousiasme voor vele nieuwe leden in de groep, zowel biologen als fysici. Dit waren onder andere Seymour Benzer, James D. Watson en Renato Dulbecco. Dit resulteerde in 1944 in het ‘Faag Verdrag’, een oproep naar faagonderzoekers om te focussen op een beperkt aantal fagen onder gestandaardiseerde experimentele voorwaarden. Dit zorgde ervoor dat resultaten van verschillende laboratoria gemakkelijker te vergelijken waren, wat het veld van de bacteriële genetica verenigde. Recent onderzoek Ook nu staan fagen weer in de belangstelling. Onderzoekers zijn er namelijk in geslaagd om fagen te bestuderen vanuit fysisch standpunt als de levenloze, mechanische objecten die ze zijn. Dit is mogelijk dankzij nieuwe, gevoelige apparatuur. Men is vooral geïnteresseerd in de levenscyclus van fagen, hoe ze hun gastheer binnen dringen, hoe er nieuwe kopieën gevormd worden in de gastheer, en hoe die nieuwe kopieën weer uit de gastheer raken. Het mechanisme achter het binnendringen is al grotendeels achterhaald. De drijfveer achter dat mechanisme is de enorme druk in het capside van de faag (zie kader). Deze druk kan oplopen tot enkele tientallen keren groter dan de atmosferische druk. Wanneer de faag zich hecht aan zijn gastheer, wordt zijn DNA geïnjecteerd door de kracht van deze druk. De grote druk ontstaat bij het ‘inpakken’ van het DNA. Om het DNA in te pakken in het capside [Structuur van een faag] Een faag bestaat uit een ‘hoofd’ en een ‘staart’. Het ‘hoofd’ bestaat uit een eiwitcapside waarin het DNA van de faag zit. De ‘staart’ is het mechanisme van de faag om zich aan een gastheer te binden. De basis van de staart bevat bepaalde aanhechtingsfactoren die kunnen binden met receptoren van een bepaalde bacterie. Wanneer de faag zich aan zijn gastheer gehecht heeft, injecteert het zijn DNA via zijn staart door het membraan van de bacterie. Dit DNA zorgt er dan voor dat de gastheer nieuwe fagen begint aan te maken. is er zeer veel energie nodig, aangezien de DNA moleculen elkaar afstoten en ze ook sterk moeten geplooid worden om in het capside te passen. Deze energie resulteert na het inpakken dan in de enorme druk. Het inpakken gebeurt door een moleculaire motor die werkt op ATP, de algemene energiebron van cellen. Onderzoekers aan de universiteiten van California, Berkeley en Minnesota maten in een experiment met een molecule de kracht uitgeoefend door deze motor bij de faag 29. Het resultaat is te zien in de grafiek. De kracht stijgt sterkt naarmate er meer DNA ingepakt wordt. Een andere onderzoeksmethode werd toegepast door Bill Gelbart en Chuck Knobler aan de Universiteit van California. Zij startten met ingepakte fagen, en volgden in experimenten de uitstoting van het DNA. Tijdens deze uitstoting zorgden ze voor tegendruk, tot het moment dat er geen DNA meer werd uitgestoten. Op dat moment is de interne druk dus gelijk aan de externe tegendruk. Ze ontdekten zo dat als het DNA van een faag korter is, de druk in het capside veel lager is. Dit is consistent met de theorie, die zegt dat de druk komt door het plooien van het DNA. Toekomst Het onderzoek naar fagen is ondertussen al meer dan een halve eeuw bezig. In die tijd hebben steeds betere technieken en apparatuur voor sterke vooruitgang gezorgd. Er zijn echter nog vele uitdagingen voor onderzoekers in de toekomst. De hoop is dat men ooit de volledige levenscyclus van fagen, en virussen in het algemeen, zal kunnen verklaren vanuit puur fysisch standpunt. Optische antennes Antenne op microscopisch niveau Door Mathias Pattyn W anneer het woord antenne valt, denkt men spontaan aan torenhoge masten en gigantische schotels. Het woord antenne komt immers van het Latijns (antenna) en betekent “mast”. Antennes zijn niet meer weg te denken uit het dagelijkse leven. Hun toepassingen reiken van mobiele telefoon, radio, televisie tot militaire doeleinden en astronomie. Een optische antenne daarentegen ziet er totaal niet uit zoals een klassieke antenne. Meer nog, je kan deze antenne zelfs niet waarnemen met het blote oog. Waarin verschilt dit piepkleine object nog van de gekende antennes? En vooral, wat zijn de voordelen van de optische antenne? Toen Thomas Alva Edison in 1885 een patent nam op een systeem met elektrische geleiders om draadloos elektrische signalen over te brengen, barstte een strijd los om het ontwikkelen van een antenne. Omstreeks 1888 had Hertz al een eigen antenne (de Hertzdipool) die hij gebruikte bij zijn experimenten. Opmerkelijk is dat het woord antenne pas ontstond in het jaar 1894, toen Marconi er een patent op nam. Het was een constructie van geleiders opgehangen aan een mast, eveneens gebruikt voor experimentele doeleinden. Zijn patent werd echter ongeldig verklaard omdat Nikolai Tesla reeds in 1890 via spoelen een inductieve overbrenging van vermogen naar gloeilampen realiseerde. Sommigen beschouwden dit als de eerste vorm van antennes en ook daarna werd er gebruik gemaakt van Tesla’s bevindingen om de antennes te ontwikkelen. In de jaren twintig van de 20ste eeuw, was men al capabel om radiogolven met een korte golflengte en een hoge frequentie te genereren (bv. Yagi was erin geslaagd om omstreeks 1928 al gebruik te maken van ultrahoge zendfrequenties, tussen 300 en 3000 MHz). Hierna kon men de antennes ook afstemmen en werden allerlei verschillende soorten antennes ontwikkeld. Maar wat is een antenne nu precies? Hoe werkt de antenne? Een antenne is eigenlijk een omvormer. Er kan onderscheid gemaakt worden tussen twee soorten, de ontvanger en de zender. Het komt erop neer dat de ontvanger radiofrequente energie ontvangt en deze omzet in een wisselstroom die overgezet wordt op een elektrisch toestel. De zender daarentegen, wordt aangedreven door een wisselstroom en zet deze om in een radiofrequent veld. Het verschijnsel dat elektromagnetische golven een wisselstroom opwekken in een geleider en omgekeerd, wordt in feite uitgebuit door de antenne. De lengte van de antenne is van belang wanneer men een specifiek frequentiegebied wil bereiken. Typisch bij een staafantenne is de lengte een kwart van de golflengte van de gemiddelde gewenste frequentie. Optische antennes Voor optische antennes is het verhaal veel recenter. Terwijl radioantennes gebruikt worden voor communicatie, worden optische antennes ontwikkeld voor onder andere microscopie. Maar analoog aan de radioantenne, is een optische antenne gedefinieerd als een apparaat dat een vrij propagerende optische straling zal omzetten in energie en omgekeerd. Het verschil zit in de werking van de optische antenne. Cruciaal hier zijn de verschillen in de fysische eigenschappen en het microscopisch gedrag van deze antennes. Voor een optische antenne (zie figuur linksonder) worden vaak nanodeeltjes van metaal gebruikt zoals goud. De nanodeeltjes worden naast elkaar geplaatst. Deze metalen zijn geen perfecte geleiders bij optische frequenties, maar doordat de deeltjes zo klein zijn worden ze beschouwd als een vrij elektronengas. Een voorbeeld van het onderzoek naar optische antennes is het richten van de lichtbundel. Dit onderzoek werd voor het eerst gedemonstreerd door de wetenschappers van het FOM-instituut AMOLF. Hun antenne bestaat uit vijf gouden nanodeeltjes die op een rij geplaatst zijn. Dit komt neer op een antenne die tot ene miljoen keer kleiner is dan een Ultra Hoge Frequentieantenne. Om deze antenne aan te sturen moet een vijf nanometer dikke elektronenbundel afkomstig van een elektronenmicroscoop gericht worden op één van de vijf nanodeeltjes. Door excitatie zal deze de andere nanodeeltjes aanslaan waardoor deze ook licht zullen uitstralen in een specifieke richting. Deze techniek wordt ook wel cathodoluminescentie spectroscopie genoemd. Hiermee hebben de wetenschappers aangetoond dat het mogelijk is om de richting van de lichtbundel te beïnvloeden op een schaal die veel kleiner is dan de golflengte van licht. Optische antennes kunnen verschillende fotofysische processen versterken. De optische antenne kan gebruikt worden om het propagerende veld en het lokaal elektrisch veld te koppelen. Zo wordt de transfer van energie meer efficiënt. Maar de antenne kan ook gebruikt worden om excitatie en emissie van een bepaald materiaal efficiënter te maken. We kunnen optische antennes ook terugvinden in de biologische sector. Bijvoorbeeld bij fotosynthetische proteïnen zullen individuele moleculen zich ordenen tot een soort van antenne die het absorberen van het licht zal optimaliseren. In microscopische context zal een optische antenne de conventionele lens of objectief vervangen. Extern laserlicht wordt geconcentreerd tot dimensies die kleiner zijn dan de diffractielimiet. Toepassingen Er zijn verscheidene toepassingen van optische antennes (zie fboven). Een eerste toepassing zijn de LED’s (a). Aan de hand van een bepaald medium worden invallende ladingsdragers (elektronen) gecombineerd met gaten in dit medium. Dit zorgt voor vrijkomende energie in de vorm van licht. Een tweede toepassing is fotovoltaïsche cellen (b). Deze worden gebruikt bij onder andere zonnepannelen. Het licht valt hierop in en zal bij een bepaald medium de ladingsdragers scheiden (dus elektronen en gaten). Zo kan men een verplaatsing van ladingsdragers realiseren. Een laatste toepassing bevindt zich op het domein van spectroscopie (c). Invallend licht zal het medium polariseren, die op zijn beurt zorgt voor vrijkomende straling. In alle drie de toepassingen zal de optische antenne zorgen voor een verbetering van de efficiëntie van de in- en output. Ondanks de vele mogelijke toepassingen van optische antennes is het opvallend hoe weinig ze terug te vinden zijn in de hedendaagse technologie. Hoewel hun productie haalbaar begint te worden, zijn er nog steeds uitdagingen in verband met het materiaal die gebruikt wordt voor het ontwikkelen van optische antennes. Bijvoorbeeld kan de indringing van de straling in het metaal niet langer genegeerd worden. Deze veroorzaakt een collectief exciteren van de elektronen waardoor het onmogelijk wordt om de traditionele antenne simpelweg te verkleinen. Daarom is het belangrijk dat de oppervlakte en structuur van de optische antennes nauwkeurig bestudeerd worden. En verder? Het onderzoek naar optische antennes staat nog niet zo lang op de benen. Zo word er momenteel nog onderzoek geleverd op het vlak van hoge-resolutiemicroscopie, spectroscopie, fotovoltaïsche cellen en LED’s. Nieuwe ideeën die gebruik maken van optische antennes stromen binnen met hoge snelheid. Men verwacht dat er nieuwe methodes zullen ontstaan voor het ontwikkelen van opto-elektronische apparatuur via de optische antennes. Doch vereist het maken van zo’n antenne nog heel wat werk (door de kleine structuren) en het moet ook steeds reproduceerbaar kunnen blijven. Multiferroïden: het materiaal van de toekomst? I edereen kent magneten. Van de magneten op de koelkast tot de reusachtige magneten die de protonenstraal van de LHC in Genève in hun baan houden: iedereen heeft er al eens mee te maken gehad. Iets minder bekend zijn de tegenhangers van magneten, de zogeheten ferroelektrische materialen, die in plaats van een magnetisch een elektrisch veld rondom zich hebben. En al helemaal onbekend zijn de materialen die beide eigenschappen hebben: de multiferroïden. Wat was een magneet nu weer? Een materiaal kan op verschillende manieren magnetisch zijn. Elk willekeurig materiaal reageert op een aangelegd magnetisch veld, en naargelang de reactie kan men het materiaal onderverdelen in drie grote categorieën. Een eerste categorie is de diamagneet. Heel veel materialen zijn diamagnetisch, waaronder jezelf, dit artikel (indien je dit niet digitaal leest), het glas water dat je daarjuist dronk en een hele hoop andere materialen, zoals koper, goud en kwik. Dit is geen reden om je zorgen te maken, want een diamagneet reageert meestal heel zwak op een extern magnetisch veld (van bijvoorbeeld een andere magneet, of stroom die door een kabel stroomt). Door Florian Bonte De tegenhanger van een diamagneet is een paramagneet. Deze magneten zijn ook zwak, maar werken nu gelijk aan het aangelegde magnetisch veld, en zullen het effect van dit veld dus versterken. Voorbeelden van paramagneten zijn materialen als magnesium en lithium. Er is ook een derde soort: de ferromagneten. Deze soort dankt zijn naam aan het materiaal ijzer, dat meteen het bekendste voorbeeld is van een ferromagneet. Andere ferromagnetische materialen zijn nikkel en kobalt. Het magnetisch veld van een ferromagneet is vele malen sterker dan dat van een dia– of paramagneet. Dit komt doordat in een ferromagnetisch materiaal er een sterke interactie is tussen de elektronen. Hierdoor gaan de atomen zich opsplitsen in groepjes, waar de richting van het magnetisch veld gelijk is. Zonder een ander magnetisch veld is de richting van dit magnetisch veld willekeurig, en is het hele materiaal niet magnetisch, ondanks het feit dat alle gebiedjes afzonderlijk wel magnetisch zijn. Wanneer iemand een ander magnetisch veld in de buurt brengt, gaan de afzonderlijke gebiedjes zich allemaal gaan richten volgens dit veld, en krijg je een sterk magnetisch veld in dit materiaal. Dit magnetisch veld kan zo heel groot worden. Ferro-elektriciteit Minder bekend dan de mogelijke magnetische effecten van materialen (dia, para en ferro) zijn de overeenkomstige elektrische eigenschappen. Er bestaan paraelektrische materialen, die (gelijkaardig aan dia– en paramagnetische materialen) zwak reageren op een extern elektrisch veld. Dit betekent dat deze materialen elektrisch geladen worden wanneer ze in een elektrisch veld worden geplaatst. Wanneer het veld verdwijnt, verdwijnt ook de (zwakke) lading op het oppervlak. Hierdoor zijn paraelektrische materialen niet zo interessant. Voorbeelden zijn keramische kristallen. Ferro-elektrische materialen, de tegenhangers van ferromagnetische materialen, hebben wel een sterk elektrisch veld wanneer je ze in een ander extern elektrisch veld brengt (van bijvoorbeeld een elektrisch geladen voorwerp dat in de buurt van het ferro-elektrische materiaal komt), en dit blijft ook bestaan als het extern veld weer verdwijnt. Hierdoor worden ferro-elektrische materialen heel interessant voor het digitaal opslaan van data. Ferroelektrische materialen danken hun naam aan de analogie met ferromagnetische materialen, maar het element ijzer heeft hier niets mee te maken. De gouden combinatie Elektriciteit en magnetisme lijken in sommige opzichten op elkaar, maar zijn ook heel verschillend. Elektrische krachten ontstaan wanneer geladen deeltjes bij elkaar in de buurt komen. Magnetische krachten ontstaan enkel wanneer deze ladingen bewegen, en kunnen enkel de beweging van andere bewegende ladingen wijzigen (denk aan magneten als een boel ronddraaiende ladingen, de elektronen, die door hun draaiende beweging magnetische krachten uitoefenen). Elektrische materialen hoeven dus niet noodzakelijk magnetische eigenschappen te hebben en omgekeerd. De zeldzame materialen waarbij dit wel het geval is, noemt men multiferroïden. Het gaat hier dus vooral over de ferromagnetische en –elektrische eigenschappen. Deze materialen bestaan, maar zijn nogal zeldzaam. Deze materialen zijn dan ook een recente ontdekking. Het probleem is dat om ferro-elektrisch te zijn, je best een goede isolator bent, anders gaat de elektrische lading zich verspreiden over het materiaal. Dit terwijl de meeste ferromagneten geleiden. De oplossing voor dit probleem ligt in kunstmatige mineralen die in een laboratorium worden gemaakt. En wat is daar praktisch nut van? het De belangrijkste toepassingen ontstaan wanneer men via het aanleggen van een elektrisch veld het magneetmoment van een multiferroïde kan aanpassen. Nu kan men enkel een elektrisch veld aanpassen met een ander elektrisch veld, en een magnetisch veld met een ander magnetisch veld. Het zou heel interessant en nuttig zijn om bijvoorbeeld het magneetveld van een materiaal te veranderen door het externe elektrisch veld aan te passen. Wanneer men spreekt over het magneetveld van een materiaal aanpassen, dan denkt men automatisch aan dataopslag. Het zou immers heel wat gemakkelijker zijn om via een elektrisch veld een magneetveld aan te passen of uit te lezen, in plaats van een ander magnetisch veld. De methode met multiferroïden zou dan heel wat minder energie vergen. Deze eigenschap zou wel eens van groot belang kunnen worden in de spintronica, waarbij men probeert de spin van een elektron te manipuleren om onder andere nieuwe dataopslagmethodes te vinden, en om nieuwe soorten computers te bouwen. Dit zorgt voor grote uitdagingen bij onderzoekers: dit zijn geen gemakkelijke dingen om mee te werken. Zo verliezen de meeste multiferroïden hun speciale eigenschappen bij kamertemperatuur. Ook is het geen gemakkelijke klus om elektrische ladingen op zo’n kleine schaal te manipuleren. Wetenschappers zijn dan ook druk in de weer om nieuwe multiferroïden te ontdekken, die van een nog betere kwaliteit zijn dan hun voorgangers. Het is in elk geval nog even wachten op de eerste multiferroïdische computer! Supergeleidend ijzer S upergeleiding, waarbij de weerstand van een materiaal nul wordt, is een reeds honderdjarig bekend fenomeen dat ontdekt werd door de Nederlander Heike Kamerlingh Onnes. Het meest tot de verbeelding sprekend voorbeeld van wat men met het fenomeen kan doen, is het leviteren van magneten. Het nadeel aan supergeleiding is dat je erg lage temperaturen nodig hebt die ver beneden onze kamertemperatuur liggen. Er bestaat ook zoiets als hogetemperatuursupergeleiding, maar ook dit komt nog niet in de buurt van kamertemperatuur. Haast twintig jaar lang dacht men dat dit enkel mogelijk was met zogenaamde cupraten, stoffen met als basis koper en zuurstof, maar in 2008 is ontdekt dat dit ook met ijzer mogelijk is. Yoshi Delaey Het klinkt als een erg simpel iets: afkoelen en de weerstand gaat naar nul. Echter, de theorie en microscopische mechanismen erachter zijn dat allesbehalve. Door de jaren heen zijn er verschillende ontwikkelingen geweest en nu met ijzer is dit niet anders, het zijn niet zozeer nieuwe toepassingen waar men op hoopt, maar eerder een verdere ontwikkeling van de theorie die hogetemperatuursupergeleiding moet verklaren. In de laatste vier jaar is deze ontplooiing in een stroomversnelling geraakt door de ontdekking van andere op ijzer gebaseerde supergeleiders. Oude bouwstenen, nieuwe kennis IJzer, een kenmerkende ferromagneet, is normaal gezien niet compatibel met supergeleiding. Dit komt omdat het magneetveld dat ijzer opwekt het mechanisme voor supergeleiding verbreekt en onmogelijk maakt. Het was dan ook een verrassing dat in februari van 2008 Hideo Hosono van het Tokyo Institute of Technology een paper publiceerde waarin hij beweerde een op ijzer gebaseerde supergeleider gevonden te hebben: fluor gedopeerd LaFeAsO (LanthaanIJzerArseenOxide). In 2008 werd de server met wetenschappelijke voordrukken arXiv overstroomd met een gemiddelde aan twee en een half artikels per dag. Dit zorgde meteen voor een explosie aan kennis over deze nieuwe ontdekkingen. Binnen een half jaar tijd sloten drie andere “families” zich aan bij Hosono’s vondst. Supergeleiders bestaan veelal uit verschillende lagen, het verschil zat hem dan ook in een andere tussenlaag of helemaal geen tussenlaag. Eigenlijk was het helemaal niet Hosono zijn bedoeling om naar nieuwe supergeleiders te zoeken. Hij en zijn medewerkers waren op zoek naar transparante halfgeleiders voor gebruik in allerlei schermen. Nadat ze dit gevonden hadden ging hun zoektocht verder naar transparante halfgeleiders met magnetische eigenschappen. Bij het uitwisselen van verschillende elementen in de reeds gevonden halfgeleiders stootten ze op LaFePO dat supergeleidend was op 4 graden kelvin en fluor gedopeerd LaFeAsO dat supergeleidend was op 26 kelvin, dit komt respectievelijk overeen met -269.15 en -247.15 graden Celsius. In midden jaren negentig vermoedde Duitser Dirk Johrendt van de Ludwig-Maximilliaan Universiteit reeds dat enkele andere materialen supergeleiders waren, maar door hun ferromagnetisme werd zijn navorsing stopgezet. Het was Hosono’s vinding die hem aanspoorde om terug te grijpen naar een paper van 1980 waarin de structuren van enkele materialen stonden die erg geleken op die van LaFeAsO. Bij het uitproberen van de kristallen hun supergeleiding kwamen hij en zijn studenten tot een kritische temperatuur van 38 kelvin. Drie verschillende groepen op drie verschillende continenten vonden min of meer tegelijk de volgende familie, elk op een eigen manier. Een van die manieren was het doorzoeken van de Anorganische Kristalstructuren Database naar samenstellingen die ijzer-arsenide lagen bevatten, hierdoor werd LiFeAs gevonden. Dit werd al 40 jaar lang gemaakt, maar de supergeleidende eigenschappen werden altijd over het hoofd gezien. Deze werkwijzen tonen aan dat materialen en fenomenen waar men dacht alles over te weten toch nog geheimen kunnen waarborgen. Voor de cupraten bestaan er reeds talloze experimenten om hun eigenschappen te onderzoeken, enkele daarvan zijn nucleaire magnetische resonantie, kwantum oscillaties en muon spin relaxatie. Voor ijzer echter zijn nog niet al deze tests doenbaar omdat de kwaliteit van de monsters niet goed genoeg is, in het geval van de cupraten duurde het bijna een decennium eer het mogelijk was om de supergeleidende orde parameter te vinden. Maar intussen weet men al veel meer over de op ijzer gebaseerde supergeleiders. Wat dit soort supergeleiders speciaal maakt is dat ijzer een semimetaal is en geen isolator zoals bij de cupraten. Ook suggereren experimenten en theoretische modellen dat het onderliggende mechanisme iets anders is dan bij anderen. Dit kan evenwel betekenen dat de beschrijving van de cupraten verkeerd is en deze nieuwe vondsten alle supergeleiders kunnen beschrijven. Een voordeel bij ijzer is dat het mogelijk is de ijzerlaag zelf chemisch aan te passen wat tot meer mogelijkheden leidt. De hoofdlaag bij de cupraten is deze bestaande uit koper en zuurstof. Wanneer men nu hierop andere elementen gaat binden gaan het supergeleidende effect verloren. Bij ijzer is de supergeleiding vooral tweedimensionaal, maar ook deels driedimensionaal, iets wat bij de cupraten niet het geval is. Dit betekent dat praktische toepassingen toegankelijker zijn bij ijzer. Zoektocht naar temperatuur: magische kamer- Supergeleiding is en blijft een opmerkelijk natuurverschijnsel. Het was reeds in 1864 dat de Polen Karol Olszewski en Wroblewski de voorspelling deden dat de weerstand zou dalen bij ultralage temperaturen. In 1880 hebben ze dit dan ook aangetoond, weliswaar was dit nog geen supergeleiding. Het was een Nederlander die in 1911 voor de doorbraak zorgde. In de notitieboekjes van Heike Kamerlingh Onnes is te lezen dat “weerstand van kwik nagenoeg nul”, dit was op een temperatuur van 4.19 kelvin. Een volgende belangrijke stap in het begrijpen van supergeleiding kwam er in 1933 wanneer de Duitsers Walther Meissner en Robert Ochsenfeld ontdekten dat supergeleiders magnetische velden volledig afstoten. Een spectaculaire toepassing hiervan is het laten leviteren van magneten (zie kaderstuk Levitatie). Dit zogeheten Meissner effect komt doordat de supergeleider elektrische stromen opzet die het aangelegde magnetische veld tegenwerken zodat het resulterende veld nul is. Een eerste theoretische beschrijving kwam er in 1950 van het Russische duo Ginzbrug en Landau. Hun theorie verklaarde vooral wat er te zien was en niet zozeer de onderliggende microscopische gebeurtenissen die zeven jaar later wel verklaard werden door het trio Bardeen, Cooper en Schrieffer, waarvoor ze in 1972 de Nobelprijs kregen. Ze beschrijven het verschijnsel als een soort supervloeistof van gepaarde elektronen die tegenwoordig Cooperparen heten. Dit was een kandidaat voor het ontdekte ijzer, maar de theorie geldt niet voor hogetemperatuursupergeleiders. Verder was er nog het Josephson effect voorspeld door Brian David Josephson: een superstroom kan door een dunne isolatorlaag tussen twee supergeleiders vloeien zonder weerstand. Een toepassing hiervan is de SQUID of “super conducting quantum interference device” dat dienst doet als een erg gevoelig meetapparaat voor magneetvelden. Al deze ontdekkingen vonden plaats onder een temperatuur van 30 kelvin, het was pas in 1986 dat men de eerste hogetemperatuursupergeleider vond. Hiermee begon het tijdperk van de zoektocht naar een kamertemperatuur variant die heden ten dage nog steeds niet is verwezenlijkt. Het was wachten tot 2008 voor een nieuwe heropleving van het vakgebied. Door de ontdekking zijn doorbraken in de theorie van supergeleiders nakend. Wat voor de gewone mens natuurlijk het belangrijkste is zijn de toepassingen van dit alles. Naast de eerder vernoemde SQUID en magnetische levitatie is er ook een medische toepassing. “Magnetic resonance imaging” of kortweg MRI steunt op het gebruik van krachtige supergeleidende elektromagneten. Ze worden ook gebruikt bij onderzoek naar een nieuwe vorm van energie, de kernfusie. Ook voor transport worden deze magneten gebruikt. Vooral in Azië zijn er “Maglev” treinen operationeel. In plaats van een wiel dat op een spoor wordt voortgerold [Levitatie] Supergeleiders kunnen gezien worden als perfecte diamagneten. Dit soort magneten creëren een magneetveld dat tegengesteld is aan dat van een extern veld waardoor je afstoting krijgt. Hierdoor kan je dus dingen laten zweven. Superdiamagnetisme maakt gebruik van het Meissner effect waardoor de magneetveldlijnen volledig uit het materiaal worden gehouden waardoor het gewoon opzijn plaats blijft zweven. Als het aangelegde veld constant blijft zal dit ook blijven duren, je krijgt als het ware een gevangen zwevend iets. zijn het hier magneten die de wagons op de juiste koers houden. Meer toekomstgericht is bijvoorbeeld magnetische koeling, dit zowel voor onderzoek als de huiskoelkast en is vooral belangrijk voor een kleinere ecologische impact. Ook voor het transport van elektriciteit, transformators, batterijen en elektrische motors komt supergeleiding in aanmerking. Daar waar supergeleiding de weerstand kwijtspeelt wordt er ook sinds 2008 onderzoek gedaan naar superisolatie waarbij de weerstand oneindig wordt waardoor er geen stroom meer kan vloeien door een materiaal. Dit zou dan bijvoorbeeld gebruikt kunnen worden bij batterijen die geen kracht zouden verliezen wanneer ze niet gebruikt worden. Samen met supergeleiding zou superisolatie een elektrisch netwerk kunnen vormen waarbij er zo goed als geen energieverlies is, dit is ook alweer belangrijk voor het ecologische perspectief. Kortom blijft het afwachten of we op ijzer gebaseerde supergeleiders verbeterde toepassingen zullen zien, wetenschappers is het alvast een wakkerschudden geweest. met deze nieuwe of maar voor soort van Magnetisch geheugen C omputers worden steeds kleiner en harde schijven krimpen mee: er moet steeds meer informatie op hetzelfde oppervlak passen. Fransman Albert Fert en Duitser Peter Grünberg staan aan de wieg van de laatste spurt in de harde schijf-techniek. In 1988 ondekten ze onafhankelijk van elkaar dat kleine magneetveldjes enorme verschillen in elektrische weerstand op kunnen wekken. Dat maakte het eenvoudig om de informatie van gemagnetiseerde gebiedjes op de harde schijf uit te lezen met een elektromagnetische lees- en schrijfkop. Arne De Coster Hoe? Giant Magnetoresistance of GMR werkt doordat magnetische velden een elektrische stroom kunnen beinvloeden. Dat is al 150 jaar bekend en werd voor het eerst beschreven door de Britse wetenschapper William Thomson (de latere Lord Kelvin). Hij ontdekte dat de elektrische weerstand van een stuk ijzer in een magneetveld verandert. De weerstand van een stroompje parallel aan het veld neemt toe, die van een stroom dwars op magneetveld daalt juist. het Magnetische sandwich Natuurkundigen dachten rond 1980 dat de gewone magnetoweerstand veel te zwak was om extreem kleine magnetische gebieden op harde schijven mee te onderscheiden. De verbazing was dan ook groot toen Fert en Grünberg een veel sterkere magnetoweerstand wisten op te wekken. Ze kregen dat voor elkaar door een stapel te maken De originele GMR-piek, gemeten door de onderzoeksgroep van Albert Pert. Hij mat op elkaar gestapelde laagjes van verschillende materialen door en ontdekte dat hun elektrische weerstand piekte als de laagjes op de juiste manier gemagnetiseerd werden. van lagen ferromagnetisch materiaal (magnetiseerbaar, zoals ijzer), afgewisseld met chroom, een niet-magnetisch materiaal. Wanneer de ijzerlagen in tegengestelde richting gemagnetiseerd werden (de noordpool omhoog gericht voor de ene laag en omlaag voor de andere) nam de elektrische weerstand door de stapel sterk toe. Elektronen, de deeltjes in een elektrische stroom, reizen het makkelijkst door een gebied waarin het magneetveld dezelfde kant op staat als hun eigen veldje. Door de ijzerlagen telkens in tegenovergestelde richting te magnetiseren wisten de twee natuurkundigen zowel elektronen met hun noordpool omhoog als met hun noordpool omlaag gericht te hinderen. Dat levert een enorme elektrische weerstand op. Tegenwoordig werken alle compacte harddisks met GMR. Een leeskop met gestapelde GMR-lagen merkt het meteen als er een magnetisch gebiedje voorbij komt: ‘past’ het magneetveld op de leeskop, dan schiet de weerstand omhoog. MRAM En daar stopt wetenschappers het zijn niet, druk bezig om GMR toe te passen in een geheel nieuw type magnetische geheugen. De zogenaamde MRAMchips (of Magnetic Random Access Memory chips) zijn een grensverlegend stuk technologie,letterlijk. De eerste prototypes waren niet alleen sneller en zuiniger dan het huidige RAM geheugen, met recentere versies zijn de zelfs theoretische limieten van het RAM geheugen overschreden. MRAM is niet alleen razendsnel maar ook niet vergeetachtig: zelfs zonder elektische voeding blijven gegens behouden. Daarmee is het niet allee een concurrent voor het huidige RAM-geheugen maar direct ook voor de veel tragere harde schijven. Na jaren onderzoek is GMR eindelijk de labo’s ongroeid en heeft het zijn eerste stappen gezet naar de consumenten wereld. Dit ‘simpel’ fysisch verschijnsel maakt nu al deel uit van een miljardenindustrie en daar zal het niet bij blijven. Nieuwe toepassingen zijn vollop in ontwikkelig.
