Stichting FOM heeft in totaal 15,1 miljoen euro toegekend aan zeven nieuwe Vrije FOM-programma’s. De onderwerpen beslaan de breedte van de natuurkunde: van onderzoek naar begrip voorbij het standaardmodel, tot neurale netwerken en een methode om de eiwitvolgorde van enkele moleculen te bepalen.
Zeven nieuwe Vrije FOM-programma’s kunnen van start
- Vreemde metalen
Vreemde metalen worden zo genoemd omdat ze zich onttrekken aan de standaardeigenschappen van metalen. Hun elektrische weerstand stijgt lineair met de temperatuur tot aan hun smeltpunt. Prof.dr. Nigel Hussey (RU) wil met collega’s uit Leiden, Utrecht en Amsterdam (UvA) onderzoeken of vreemde metalen mogelijkheden bieden voor quantumverstrengeling over langere afstanden, gebaseerd op holografische principes. Het programma verbindt toonaangevende onderzoekers op het gebied van snaartheorie en quantum-many-body-theorie, met experimentele vaste-stoffysici, om de fundamentele fysica van vreemde metalen te doorgronden.
Hussey reageert: “We zijn verheugd met deze toekenning. Dit programma is wereldwijd de eerste die experiment en theorie combineert om de oorsprong te achterhalen van het gedrag van vreemde metalen, gerelateerd aan hogetemperatuursupergeleiding. We zijn geinspireerd door theorieën die oorspronkelijk zijn ontwikkeld voor quantumzwaartekracht, en de timing van dit nieuwe programma geeft ons een voorsprong op de globale competitie in dit vakgebied – iets waarvan we verwachten de komende vijf jaar profijt van te hebben.”
2. Eiwitvolgorde vaststellen in één molecuul
Samen met onderzoekers uit Wageningen en Groningen willen onderzoekers van de TU Delft onder leiding vaneiwitten molecuul voor molecuul analyseren met single-molecule technieken. Een biologische nanomachine zal de eiwitmoleculen uitlijnen, waarna de onderzoekers de aminozuurvolgorde uitlezen met een combinatie van optische technieken (single-molecule fluorescentie) en elektrische detectie met nanogaatjes. Dit legt de basis voor een spectaculaire nieuwe techniek voor het bepalen van de eiwitvolgorde op enkel-molecuul niveau, ook van complexe en gevarieerde celeiwitten.
Joo kijkt uit naar het programma: “Gezien de grote wenselijkheid om de moleculaire basis van ziekten bij de mens beter te begrijpen, is er behoefte een methode om eiwitten nauwkeurig te kunnen analyseren. Ik kijk er naar uit om met ons team – drie biofysici, een biochemicus, een organisch chemicus en een bio-informaticus – een eerste proof of concept te ontwikkelen voor het single-molucule eiwit-sequencen.”
- Natuurkunde voorbij het standaard model met koude moleculen
De grootte van het elektrische dipoolmoment van het elektron (eEDM) is een zeer gevoelige indicator van natuurkunde voorbij het standaardmodel van de deeltjesfysica. In experimenten tot nu toe is alleen een bovengrens gevonden voor de waarde van het eEDM. Prof.dr. Steven Hoekstra (RUG) wil metingen van het eEDM verbeteren in een gevoelig nieuw experiment met koude moleculen, en hiermee grote vragen in de deeltjesfysica en kosmologie helpen beantwoorden. In dit programma werken de RUG, VU en Nikhef nauw samen. Het daadwerkelijke experiment zullen de onderzoekers gezamenlijk in Groningen uitvoeren.
Hoekstra reageert opgetogen: “Dat we de mogelijkheid krijgen om dit zeer spannende experiment uit te voeren, dat atoom-, molecuul- en deeltjesfysica bij elkaar brengt, is fantastisch. We gaan onze expertise in het koelen en afremmen van moleculen gebruiken om de grootte van het eEDM te meten. Het is fascinerend dat we met deze nieuwe benadering in een compact experiment door kunnen dringen tot aan de grenzen van het standaardmodel van de deeltjesfysica.”
- Nieuwe horizons verkennen: ruimte-tijd, zwarte gaten en quantuminformatie
Er zijn nieuwe en onverwachte parallellen tussen zwaartekracht en quantuminformatietheorie ontdekt die betekenen dat ruimte-tijd en zwaartekracht niet op zichzelf staan, maar voortkomen uit het gezamenlijke gedrag van bepaalde quantumvrijheidsgraden. In dit programma wil prof.dr. Eric Bergshoeff (RUG) met collega’s uit Amsterdam (UvA), Leiden en Utrecht de algemene principes en wiskundige wetten achter quantumzwaartekracht ontdekken en wat de gevolgen zijn voor de natuurkunde van zwarte gaten en kosmologie. Het consortium zal zich richten op snaartheorie, maar ook nieuwe concepten gebruiken uit zowel quantuminformatietheorie als de vastestoffysica.
Programmaleider Eric Bergshoeff blikt vooruit: “De quantuminformatietheorie geeft een nieuwe impuls aan het fascinerende onderzoek naar de quantumzwaartekracht. De emergente zwaartekracht die hieruit voortvloeit verandert voorgoed ons beeld van ruimte, tijd en krachten met mogelijk verstrekkende gevolgen voor ons begrip van zwarte gaten en kosmologie.”
- Skyrmionen als informatiedragers
In verschillende gebieden van de natuurwetenschappen zijn symmetrie en topologie verbindende thema’s. Een bepaalde topologische toestand, de skyrmion, speelt in allerlei fysische contexten een rol. Prof.dr. Maxim Mostovoy (RUG) richt zich in dit FOM-programma met collega’s uit Groningen en Delft op magnetische skyrmionen vanwege hun interessante eigenschappen, zoals de spinstructuur die effectieve magnetische velden veroorzaakt. Ook de mogelijkheden om ze als informatiebits in te zetten, wanneer ze door lage elektrische stromen in beweging worden gebracht, zijn veelbelovend. Theorie, materiaalsynthese en de nieuwste experimentele technieken om nieuwe magnetische topologische toestanden en transporteffecten te onderzoeken, komen in dit FOM-programma bij elkaar.
“We zijn zeer verheugd over deze toekenning, die ons in staat stelt om skyrmionen in nieuwe materialen te realiseren en te gaan toepassen”, reageert programmaleider Mostovoy.
- Neurofotonica: de fysica van signalen in neurale netwerken
Een van grootste wetenschappelijke uitdagingen op dit moment is te begrijpen hoe het brein met biljoenen neuronen in neurale netwerken onze gedragingen aanstuurt. In dit programma brengt dr. Lukas Kapitein (UU) experts op het gebied van neurofysiologie samen met excellente onderzoekers uit de fotonica, met als doel de fysische principes te ontrafelen achter het ontstaan en geleiden van elektrische impulsen in intact hersenweefsel. Om dit mogelijk te maken, zullen ze gebruik maken van geavanceerde fotonische technieken, waarmee zij de onvermijdelijke vervorming en verstrooiing van licht in weefsel kunnen compenseren. Het programma is een gezamenlijke inspanning van de UU, de UT en het Nederlands Herseninstituut (KNAW).
Programmaleider Lukas Kapitein is verheugd: “Dit is een geweldige kans om recent ontwikkelde concepten uit de fotonica uit te werken en toe te passen op een fundamentele vraag over de hersenen: hoe ontstaan en verspreiden elektrische signalen zich in weefsel? Daarnaast zal de ontwikkelde technologie ook breed toepasbaar zijn voor andere vragen over het functioneren van cellen in hun natuurlijke complexe omgeving.”
- De mysterieuze grootte van het proton
Verschillende natuurkundige fenomenen zijn moeilijk te verklaren met het succesvolle standaard model. Daarbij gaat het niet alleen om exotische zaken als donkere materie en donkere energie, maar ook om de meer tastbare vraag hoe groot een proton nu precies is. Verschillende soorten metingen leverden waarden voor de straal van het proton die meer dan vijf standaarddeviaties uit elkaar liggen. Het oplossen van de zogenoemde Proton Radius Puzzle is belangrijk voor de zoektocht naar natuurkunde voorbij het standaard model en kan leiden tot grensverleggende fysica. Prof.dr. Kjeld Eikema (VU) en zijn collega’s willen de kennis en unieke experimentele faciliteiten binnen het VU LaserLaB gebruiken om deze protonpuzzel verder op te lossen. Het idee is zeer precieze metingen met lasers uit te voeren aan verschillende vormen van moleculair waterstof en helium, en die resultaten te vergelijken met theoretische QED-berekeningen.
Eric Bergshoeff is trots: “We zijn bijzonder blij met deze toekenning. Ons wordt nu een unieke mogelijkheid geboden om de proton-straal puzzel te doorgronden met precisiemetingen, aan verschillende atomen en moleculen, die nergens anders kunnen worden uitgevoerd dan in de infrastructuur van LaserLaB van de VU. “
