Topologische materialen geven nieuwe draai aan elektronica

Topologische materialen geven nieuwe draai aan elektronica
Topologische isolatoren zijn materialen die zowel eigenschappen van geleiders als van
isolatoren bezitten. Doordat de elektronenbanden in deze systemen in de knoop zitten, moeten
de elektronen aan de randen van het materiaal andere banen volgen. De twist in de
elektronenbanden levert volgens programmaleider prof.dr. Mark Golden (UvA) nieuwe en
uiterst spannende fysica op. Het FOM-programma is gericht op het creëren, onderzoeken en
controleren van 2D en 3D topologische isolatoren. Uiteindelijk kan deze kennis leiden tot
energie-efficiënte spintronica en een krachtig platform voor topologische quantum computation.
Programmaleider Mark Golden: "Wij combineren theoretische en experimentele kennis om
systemen te ontwikkelen die gebaseerd zijn op topologische elektronische toestanden. Zo
hopen we ook als eerste de prachtige theoretische voorspellingen in dit veld te kunnen
realiseren." Het programma bundelt de krachten van universitaire onderzoeksteams uit
Amsterdam, Leiden, Delft en Twente.
Gedraaide elektronenbanden.Net als de
Trefoil knoop (rechts) bezitten de
elektronenbanden van topologische
isolatoren een draai die ze van gewone
toestanden zoals de lus (links)
onderscheid. Op het grensvlak van een
topologische en een gewone isolator
moet de knoop in de bandenstructuur
open geknipt worden, met geleidende
edge states (geel) als gevolg.
Een kijkje in de levende cel
Met single-molecule fluorescentie kan de dynamiek van een cel in kaart worden gebracht.
Maar deze techniek heeft twee grote beperkingen: de huidige fluorescerende labels zijn optisch
niet stabiel, waardoor ze maar een fractie van een seconde gevolgd kunnen worden, en grotere
labels belemmeren het functioneren van de cel. Een onderzoeksteam onder leiding van dr.ir.
John van Noort (LEI) stelt voor om de cellen te bestuderen met gouden nanostaafjes. Hiermee
kunnen volgens hen beide problemen verholpen worden. De gouden staafjes geven duidelijke
optische signalen af die niet knipperen of uitdoven. En de staafjes kunnen zonder schade aan
te richten door de cel bewegen, aangezien ze niet veel groter zijn dan een flink eiwit.
Het team bestaat uit onderzoekers van verschillende afdelingen van het Cell Observatory van
de Universiteit Leiden. Van Noort: "In dit project brengen we technische, fysische, chemische
en biologische kennis bij elkaar. De een weet veel van spectroscopie, de ander van
celdynamiek en een derde heeft de chemische expertise die nodig is om de gouden deeltjes te
construeren. Door onze krachten te bundelen kunnen we aan de slag met de meest relevante
uitdagingen in de celbiologie en biofysica." De nieuwe imaging-methode levert volgens Van
Noort spectaculaire mogelijkheden voor de biologische fysica.
Gouden nanostaafjes. De staafjes van enkele tientallen nanometers kunnen vrij door de cel
bewegen en zullen gebruikt worden om specifieke eiwitten te kleuren. De nanostaafjes zijn zo
helder dat hun positie met enkele nanometers nauwkeurigheid gevolgd kan worden
gedurende tientallen minuten. Hierdoor is het mogelijk individuele moleculen in een levende
cel langdurig te volgen en daarmee de processen die ze ondergaan op moleculaire schaal in
kaart te brengen. Het is zelfs mogelijk om de goudstaafjes met sterk gefocusseerd licht te op te
pakken en te verplaatsen. In dit FOM-programma wordt onderzocht hoe deze technieken in de
cel kunnen worden toegepast.
Quantumdynamica van mechanische systemen: een nieuwe kruisbestuiving
Quantumdynamica van mechanische systemen op nano- en microschaal leidt tot nieuwe
inzichten in de fundamentele vraag hoe de klassieke natuurkunde met de quantummechanica
samengaat. Dit FOM-programma bevat zowel theorie als experimenten op het gebied van
mechanica, quantumoptica, grafeen, spin-manipulatie, supergeleidende qubits, magnetische
nanostructuren en de ultra-lage temperatuurfysica. Een onderzoeksteam onder leiding van
programmaleider prof.dr. Tjerk Oosterkamp (LEI) gaat hiermee de komende vijf jaar aan de
slag aan de Universiteit Leiden en de Technische Universiteit Delft.
Programmaleider Oosterkamp is zeer verheugd: "Een gouden kans om nu in de combinatie
van deze zich snel ontwikkelende vakgebieden aan de slag te gaan en op volle sterkte te
kunnen pionieren! In de afgelopen jaren hebben mechanische resonatoren zich ontpopt tot een
veelbelovende kandidaat als quantumtransducers tussen vrijwel elk paar quantumsystemen.
De meeste krachten zijn makkelijk te vertalen naar mechanische beweging en andersom.
Experimenteel is enorme vooruitgang geboekt, door betere nanotechnieken en nieuwe
materialen met opmerkelijke mechanische eigenschappen. Dat is veelbelovend!"
Electronenmicroscopische foto van een koolstof nanobuis. De nanobuis overbrugt de afstand
tussen twee electrodes. Een dergelijke trillende nano-mechanische snaar zal gebruikt worden
om verschillende qubits aan elkaar te koppelen.
Barrières in het brein: de moleculaire fysica van leren en het geheugen
Receptoreiwitten in synapsen maken het contact tussen hersencellen mogelijk en spelen
daardoor een cruciale rol bij leren en het geheugen. De basale, fysische processen die de sterkte
van de contacten reguleren, zijn niet goed bekend. Doel van het nieuwe FOM-programma is
het ontrafelen van deze fysische principes, met name de processen die zorgen voor de
lokalisering van de receptoren in een zeer dynamische en ruimtelijk beperkte omgeving. Het
onderzoek staat onder leiding van dr.ir. Erwin Peterman (VU) en vindt plaats aan de Vrije
Universiteit, de Universiteit Utrecht, Universiteit Leiden en de Technische Universiteit
Eindhoven.
Erwin Peterman:"Dit programma stelt ons in staat om dit fascinerende en complexe vraagstuk
aan te pakken met een multidisciplinaire benadering: van theoretische fysica van zachte
materie, via biofysica aan modelsystemen en cellen, tot neurobiologie."
De nek en spine van een synaps. Het ontvangende eind van een synaps, de zogenaamde spine,
is een champignonvormige uitstulping die met een nauwe 'nek' is verbonden aan de uitloper
van een hersencel. Dit onderzoeksprogramma is gericht op drie kernvragen over de vorm en
samenstelling van de spine en hoe deze aspecten het transport van de ontvangende receptoren
beïnvloeden.
Licht roeren
Om licht te gebruiken voor bijvoorbeeld televisies of zonnecellen moet het worden omgezet in
bruikbare energie. Dit kan een andere kleur licht zijn of, zoals in zonnecellen, elektrische
energie. Maar hoe doe je dat zo efficiënt mogelijk? In dit FOM-programma 'roeren'
onderzoekers lichtgolven door nanofotonische media, om de absorptie en de verwerking van
lichtgolven te optimaliseren. Het team bestaat uit zowel experimentele, theoretische als
toegepaste onderzoekers van vijf Nederlandse universiteiten en het FOM-instituut AMOLF.
Programmaleider prof.dr. Willem Vos (UT) licht toe: "We gaan uit van twee verrassende
standpunten in de optica. Ten eerste dat de verstrooiing van licht niet hoeft te resulteren in het
'kwijtraken' van licht. Ons team heeft aangetoond dat een verstrooiende lens het licht beter
focust dan een conventionele lens. Verstrooiing kan dus zelfs energie concentreren. Ten
tweede kunnen we absorptie van licht beheersen. Absorptie was altijd een lastig fenomeen,
aangezien de lichtdeeltjes op willekeurige momenten door een materiaal opgeslokt worden.
Maar als je dit proces gericht kunt aansturen, dan kun je er listig gebruik van maken!"
Optimale lichtabsorptie met 'geroerd' licht.