Nieuwe directeur FOM-Instituut voor Plasmafysica

Gerard Meijer gaat in het instituut een nieuw FOM-programma opzetten, getiteld ' Koude moleculen '. De afgelopen tijd heeft hij met zijn onderzoekgroep in Nijmegen een in de wereld unieke methode ontwikkeld en experimenteel getest om neutrale moleculen sterk af te remmen (ze worden dan koud genoemd). Dit vakgebied staat nog volledig in de kinderschoenen en Meijer verwacht dat het de komende tien jaar een grote vlucht zal nemen.
Meijer ziet het als een geweldige uitdaging om als eerste in de wereld een machine te bouwen waarin koude moleculen kunnen worden opgeslagen en zo in interessante hoeveelheden beschikbaar zijn voor experimenten. Hij noemt drie redenen waarom hij het FOM-instituut Rijnhuizen beschouwt als dé plek in Nederland om zijn project te realiseren. Het instituut beschikt over veel expertise in vacuüm-, versneller- en hoogspanningstechnologie, over meer ervaring met grootschalige projecten dan universiteiten en over veel ervaring in het opzetten en ontwerpen van relevante detectiemethoden.

"Niemand in de wereld werkt nog volgens de methode die wij ontwikkeld hebben," aldus Meijer, "en dat maakt de uitdaging extra groot. Met de technische expertise van Rijnhuizen moet er over vijf jaar hier een werkende machine kunnen staan."

Onder leiding van Meijer zal het instituut naast het nieuwe programma nog drie andere programma's uitvoeren:

het leveren van infrarode straling door de gebruikersfaciliteit FELIX (een vrije-elektronenlaser die over een breed golflengtegebied in het infrarood naar wens straling produceert ten behoeve van fysisch, chemisch, biologisch en medisch onderzoek);
het bestuderen van de dynamica van moleculaire processen met behulp van FELIX (Meijer is al sinds medio 1998 de leider van dit programma);
plasmafysica ten behoeve van kernfusieonderzoek in het Nederlands-Belgisch-Duitse samenwerkingsproject TEC in Jülich in Duitsland.

Voor nadere informatie kan men contact opnemen met prof.dr. G.J.M. Meijer, telefoon (024) 365 22 77 (of 365 20 25) of met dr. K.H. Chang, directeur FOM, telefoon (030) 600 12 26.

Meer informatie over de FOM-programma's van Rijnhuizen is te vinden op de website van Rijnhuizen is te bereiken via http://www.rijnh.nl.

Curriculum vitae prof.dr. G.J.M. Meijer
Gerard Meijer werd geboren op 6 april 1962. Hij studeerde in 1985 cum laude af in de natuurkunde aan de Katholieke Universiteit Nijmegen en promoveerde drie-en-een-half jaar later, in 1988, op de structuur en dynamica van kleine moleculen, die hij bekeek met behulp van ultraviolette-laserspectroscopie.

Na zijn promotie werkte hij drie maanden in het Max Planck Institut für Strömungsforschung in Göttingen, waar hij onder andere metingen deed aan verbrandingsprocessen in de motor van de Volkswagen Golf GTi 1600. Begin 1990 vertrok hij naar het IBM Almaden Research Center in Californië, waar hij in een groep werkte die baanbrekend onderzoek deed aan de buckyballen (koolstof-60) die men toen net voor het eerst in het laboratorium had weten te maken. In januari 1991 keerde hij terug naar Nederland en ging werken als KNAW-fellow bij de Vrije Universiteit, op een onderzoeksproject om georiënteerde moleculen die onder invloed van licht uiteenvallen in twee dimensies af te beelden.

Een jaar later werd hij benoemd tot universitair docent in Nijmegen en in januari 1995 werd hij daar gewoon hoogleraar, in de molecuul- en laserfysica.

Meijer is ongetwijfeld de enige hoogleraar in Nederland die als voetballer op televisie is geweest. Dat was in een programma over buckyballen, de voetbal onder de moleculen. Meijer is actief amateur-voetballer en legde op het veld de structuur van de buckybal uit.

Koude moleculen
Het afkoelen van atomen tot ze bijna of helemaal stilstaan is een actueel onderwerp in de natuurkunde. Laserkoeling (Nobelprijs 1997), Bose-Einstein-condensatie, atoomoptica en atoomlasers zijn daar voorbeelden van. Nauwelijks beweging betekent bij deeltjes een zeer lage temperatuur. Daarom wordt gepraat over koude atomen. Er zijn op dit gebied in Nederland verscheidene internationaal vooraanstaande groepen. Koude atomen hebben de atoomfysica een geweldige impuls gegeven.

"Alles wat je met koude atomen kunt doen, kun je ook met koude moleculen, en bovendien bieden moleculen nog een paar extra's," zegt Gerard Meijer. "Moleculen bestaan uit meer dan één atoom en hebben daardoor als geheel extra eigenschappen. Zo kunnen ze verschillende oriëntaties in de ruimte innemen en een ladingsverdeling hebben waardoor ze gevoeliger zijn voor elektrische of magnetische velden. Dat soort eigenschappen is belangrijk voor het aangaan van sommige chemische reacties. Bij koude moleculen kun je dat soort effecten heel mooi bestuderen."

Nu kun je moleculen niet zoals atomen met een laser afkoelen, juist door die extra eigenschappen. Daardoor was tot nog toe niemand er in geslaagd moleculen actief af te remmen. In de groep van Meijer aan de Katholieke Universiteit Nijmegen lukte dat onlangs wel. De gebruikte techniek is in 1959 al door onderzoekers bij MIT in de Verenigde Staten beschreven en eind jaren '60 is hiervoor in Chicago een grootschalig experiment opgezet, zij het toen om moleculen te versnellen. Deze experimenten faalden echter om uiteenlopende redenen.

Neutrale moleculen afremmen
Het idee is als volgt. Veel moleculen zijn een elektrische dipool. Dat wil zeggen dat binnen die moleculen een duidelijke scheiding is van positieve en negatieve elektrische lading. Het bekendste voorbeeld van zo'n molecuul is water. Andere voorbeelden zijn keukenzout (NaCl), ammoniak (NH3) en ook koolmonoxide (CO). Het gaat dus om neutrale deeltjes, die evenwel door hun dipoolkarakter toch reageren op een elektrisch veld. Dergelijke moleculen nemen, wanneer ze een bepaalde interne energie hebben, ofwel in een geschikte quantumtoestand verkeren, een beetje energie op als ze een elektrisch veld inlopen. Die energie wordt de Stark-energie genoemd.

Wanneer ze deze energie opnemen, verliezen ze een klein beetje bewegingsenergie en gaan dus minder snel bewegen. Ze koelen wat af. Het verlies aan bewegingsenergie is blijvend, wanneer het elektrisch veld wordt uitgeschakeld voordat het molecuul dat veld verlaten heeft. Wanneer het vervolgens opnieuw in een elektrisch veld terecht komt, verliest het weer een beetje bewegingsenergie. Zo kan het molecuul door opeenvolgende elektrische velden steeds verder worden afgeremd. In een experiment om te bewijzen dat dit werkt, hebben de Nijmeegse onderzoekers koolmonoxidemoleculen weten af te remmen van 220 meter per seconde tot 54 meter per seconde. Dit komt overeen met slechts zes procent van hun oorspronkelijke energie. Verdere vertraging tot snelheden van onder de 10 meter per seconde, corresponderend met millikelvin temperaturen, is in principe mogelijk.

De constructie in Nijmegen is in wezen een kleine omgekeerd werkende lineaire versneller. Hij is 35 centimeter lang en bestaat uit 63 trapjes. Over die trapjes wordt om en om een elektrisch veld geschakeld tot 100 kilovolt per centimeter. Elke keer dat een molecuul een elektrisch veldje doorloopt, raakt het 0,1 milli-elektronvolt aan energie kwijt. Dit is heel weinig, maar toch voldoende om moleculen volledig tot stilstand te brengen, zeker als moleculen worden gebruikt die al op conventionele manier zijn voorgekoeld. Als versneller is dit apparaat echter minder geschikt. Met de kleine hoeveelheden energie waar het hier om gaat, is de versnelling ten opzichte van de snelheden die de moleculen bij kamertemperatuur al hebben (500 à 1000 meter per seconde) miniem.

Opschalen en opslaan
"Er werkt op dit moment niemand in de wereld aan deze methode," zegt Meijer, "en wij hebben een voorsprong. Met de expertise die op het instituut Rijnhuizen aanwezig is, moeten we binnen vijf jaar een vertrager plus een opslagring van een meter diameter kunnen bouwen. In die ring kun je dan klontjes afgekoelde moleculen opslaan en eruit halen voor experimenten."

Voor het zover is, moet er nog een hoop denkwerk worden verricht, stelt Meijer. Er moet een moleculaire-bundelmachine worden gebouwd voor het leveren van dipoolmoleculen die bij voorkeur stabiel moeten zijn in hun laagste energietoestand. Er moet een verbeterde afremmer worden ontwikkeld. Het prototype in Nijmegen is zonder kennis van versnellers gebouwd en dat moet natuurlijk anders. De opslagring vereist een ring die uit zes hoogspanningsstaven bestaat (een zogenaamde hexapool), met een omtrek van ruim 3 meter (pi!). Die ring bundelt en concentreert de koude moleculen. Verder is er zogeheten diagnostische apparatuur nodig om het hele proces van maken van de bundels, het voorkoelen, het eigenlijke koelen en het opsluiten goed te bewaken en er aan te meten. Op al deze terrein beschikt het FOM-instituut Rijnhuizen over vereiste expertise en ervaring. Met een afkoeler en opslagring van de voorziene afmetingen is er niet alleen een unieke machine ontwikkeld, maar ook een nieuwe methode om onderzoek te doen aan moleculen, aldus Meijer. "Dat is de grootste uitdaging."

Wat kun je met die methode doen? Sterk afgeremde moleculen kunnen worden gebruikt om beter dan ooit botsingen tussen moleculen en quantumeffecten van grote aantallen moleculen tegelijk te onderzoeken. Er kan spectroscopie worden gedaan zonder 'last' van het Dopplereffect te hebben. Er kunnen nieuwe frequentiestandaarden worden ontwikkeld en allerlei experimenten die nu al met sterk afgekoelde atomen worden gedaan, zijn ook met koude moleculen mogelijk. "Er komt een heel nieuw vakgebied aan."