Icon left Vorige Icon up Overzicht Volgende Icon right

Supersterke magneten en vrije-elektronenlasers: een gouden combinatie!

Onderwerp: Elektrisch veld en magnetisch veld, Elektromagnetisch spectrum, Materiaalonderzoek

Begrippen: Frequentie

Wat zou het mooi zijn als je materiaalonderzoek kunt doen onder heel speciale omstandigheden, waarbij je unieke eigenschappen van het onderzochte materiaal kunt ontdekken. Dit is precies wat ze doen aan de Radboud Universiteit in Nijmegen. Hier combineren ze onderzoek met behulp van vrije-elektronenlasers in het infrarood- en terahertz-frequentiegebied met het toepassen van een supersterk magneetveld. Een gouden combinatie voor vernieuwend onderzoek!

Aan de Radboud Universiteit in Nijmegen staan twee bijzondere onderzoeksfaciliteiten. Er is een laboratorium met vier vrije-elektronenlasers waarvan de golflengte instelbaar is van 3 tot 1500 μm én er is een laboratorium waar ze met speciaal ontworpen magneten een supersterk magneetveld kunnen maken tot wel 38 tesla en in de toekomst zelfs 45 tesla.

 HFML-FELIX gebouw

Figuur 1: HFML-FELIX laboratorium in aangrenzende gebouwen. Foto: Dick van Aalst, Radboud Universiteit.

Deze twee onderzoekslaboratoria staan direct naast elkaar en dat is niet zomaar. Al in 2010 besloot de Radboud Universiteit om naast het laboratorium voor hoge magneetvelden (HFML, High Field Magnet Laboratory) ook een vrije-elektronenlaser laboratorium te bouwen (FELIX Laboratory). Het combineren van beide laboratoria maakt namelijk heel specifiek onderzoek mogelijk. Ze begonnen met de bouw van FLARE, een vrije-elektronenlaser met een frequentiebereik dat was afgestemd op het magneetveld van het laboratorium voor hoge magneetvelden. Juist in die periode sloot het FOM-Instituut voor Plasmafysica Rijnhuizen in Nieuwegein zijn deuren en is besloten de vrije-elektronenlaser FELIX te verhuizen naar de Radboud Universiteit.

Uniek in de wereld

“De combinatie van beide onderzoeksfaciliteiten is uniek in de wereld”, vertelt Peter Christianen, directeur van HFML. “Nergens anders ter wereld kunnen onderzoekers op één locatie gebruikmaken van een meetopstelling met een zeer hoog magnetisch veld waar een vrije-elektronenlaserbundel in gekoppeld kan worden. Ik vertel mijn studenten ook altijd: ‘Dat wat jij doet, dat doet niemand anders in de wereld,’ en dat is natuurlijk erg leuk!”

Verspreiding laboratoria HFML FELIX

Figuur 2: Plaatsen in de wereld met vrije-elektronenlaser en met een laboratorium voor hoge magneetvelden. In donkerrood de landen waar gebruikers vandaan komen. Afbeelding: Radboud Universiteit.

Gebruikersfaciliteit

Het laboratorium is bovendien een internationale gebruikersfaciliteit vertelt Britta Redlich, directeur van het FELIX Laboratory. “Wij zijn een laboratorium waarvan uiteraard onderzoekers uit Nederland gebruikmaken, maar er komen bijvoorbeeld ook onderzoekers uit de Verenigde Staten of Japan om hier een week voor hun onderzoek te meten. Dat is toch wel heel bijzonder.” Dit in tegenstelling tot andere onderzoeksfaciliteiten waar alleen de onderzoekers die daar werken gebruik van mogen maken. Het HFML-FELIX-laboratorium is een van de weinige internationale gebruikersfaciliteiten in Nederland. Onderzoekers die bij HFML-FELIX willen meten, moeten een wetenschappelijk voorstel schrijven. Een externe commissie beoordeelt of het voorstel wetenschappelijk goed genoeg is. Op basis van de beoordeling en de beschikbare capaciteit krijgen de wetenschappers meettijd toegewezen. Per jaar bezoeken zo ongeveer 300 onderzoekers van over de hele wereld de HFML-FELIX-laboratoria om onderzoek te doen. 

Uiteenlopende toepassingen

De unieke onderzoeksfaciliteit leidt tot baanbrekend onderzoek. In 2010 ontvingen Andre Geim en Konstantin Novoselov, beiden voormalig medewerkers van HFML-FELIX, de Nobelprijs voor de Natuurkunde. Zij ontdekten bijzondere eigenschappen van grafeen, een materiaal dat bestaat uit slechts een enkele laag koolstofatomen. Maar er zijn nog veel meer toepassingsgebieden waarvoor onderzoekers grote kansen zien. 

 Onderzoeksgebieden HFML-FELIX

Figuur 3: Onderzoeksgebieden waar het HFML- en FELIX-laboratorium aan werken. Afbeelding: Radboud Universiteit.

Onderzoek voor ziekenhuizen

Met de vrije-elektronenlasers van FELIX Laboratory doen wetenschappers bijvoorbeeld onderzoek in samenwerking met ziekenhuizen. Ze gebruiken de lasers om een IR-spectrum te meten van moleculen uit bloedmonsters van patiënten. Hiermee kunnen ze achterhalen of er bijvoorbeeld in het bloed van een patiënt een bepaald molecuul aanwezig is, dat alleen voorkomt bij mensen met een specifieke ziekte.

Nieuwe materialen

Bij HFML doen ze bijvoorbeeld onderzoek om op een vernieuwende manier energie te kunnen produceren en om energiebesparende elektrische systemen te ontwikkelen. En natuurlijk fundamenteel onderzoek om meer kennis op te doen over materiaaleigenschappen, bijvoorbeeld over de werking van supergeleiding, molecuulstructuren en de geleidbaarheid van materialen. Allemaal kennis die in de toekomst kan bijdragen aan het uitvinden van nieuwe materialen.

Gecombineerde experimenten

Het gecombineerde gebruik van de vrije-elektronenlasers en de magneten van HFML-FELIX geeft vele mogelijkheden voor nieuw onderzoek. Zo liggen de frequenties van de overgangen tussen verschillende elektron-spin-toestanden van (magnetische) materialen precies in het bereik van de vrije-elektronenlasers. Dit wordt momenteel gebruikt voor bijvoorbeeld zeer gevoelige elektron-spin-resonantie experimenten en om te onderzoeken of de benodigde energie voor magnetische dataopslag (zoals in een harddisk van een computer) drastisch gereduceerd kan worden.

Deze onderzoeken zijn allemaal mogelijk door gebruik te maken van de vrije-elektronenlasers van FELIX en de magneetopstellingen van HFML!