KU Nijmegen opent magnetenlaboratorium van wereldformaat

 
Sterke magneten zijn een belangrijk hulpmiddel bij fundamenteel onderzoek. Materialen veranderen niet alleen onder invloed van hoge druk en temperatuur, maar ook door een magnetisch veld. Materie geeft vaak zijn fundamentele eigenschappen prijs onder extreme omstandigheden. Dus willen onderzoekers die magnetische metingen doen kunnen beschikken over de hoogst mogelijke magneetvelden. Het nieuwe laboratorium huisvest naast gewone magneten (die elke onderzoeksgroep zich kan veroorloven) magneten en magneetsystemen, die met behulp van een groot elektrisch vermogen (20 megawatt) extreem hoge velden kunnen leveren. Daarnaast bezit het HFML ook gepulste magneten waarmee gedurende een aantal milliseconden dubbel zo hoge magneetvelden kunnen worden opgewekt. Het hele gebouw is zodanig ontworpen dat elke verstoring wanneer alle apparatuur volop in bedrijf is, tot een absoluut minimum beperkt blijft.

Absolute wereldtop
Een van de bijzondere eigenschappen van de Nijmeegse magneten is dat in hun boring (het open hart in de kern van de magneten) elke gewenste temperatuur kan heersen, zelfs gewoon kamertemperatuur of hoger. Verder kunnen de magneetvelden relatief snel en gemakkelijk veranderd worden. Uniek is dat de velden de stabielste in de wereld zijn, zowel wat mechanische trillingen betreft als de variatie in de stroom door de magneet. Daardoor worden ook experimenten bij zeer lage temperaturen of heel gevoelige elektrische metingen niet verstoord. Gecombineerd met de lange duur van de continue velden is het mogelijk tijdens experimenten niet alleen de eigenschappen van materialen te meten, maar de materialen ook zelf te manipuleren. Dat moet tot heel nieuwe fysische experimenten en tot nieuwe inzichten kunnen leiden. Wereldwijd kan alleen het lab in Tallahassee vergelijkbare veldwaarden bereiken. Het Nijmeegse lab biedt echter veel betere omstandigheden om bij hoge velden de experimenteren. Daardoor kan het onderzoek veel preciezer zijn. Daarmee is het HFML qua techniek de absolute wereldtop, zegt hoogleraar-directeur Jan Kees Maan.

Groot aantal meettechnieken en -voorzieningen
Het Nijmeegse laboratorium onderscheidt zich daarnaast door de aanwezigheid van een groot aantal meettechnieken en -voorzieningen. Er kunnen metingen gedaan worden bij golflengten die uiteen lopen van 9-500 gigahertz en bij temperaturen van net boven het absolute nulpunt tot ongeveer 275° Celsius en bij drukken tot 25.000 atmosfeer.
Een bijzonderheid is verder de aanwezigheid van al bestaande en nog te installeren grote NMR-faciliteiten (onder te brengen in een nog in aanbouw verkerend nieuw NMR-laboratorium), waarmee in samenwerking complementair onderzoek uitgevoerd zal gaan worden.
Tenslotte is de situatie in Nijmegen bijzonder omdat het HFML en het nieuwe NMR-laboratorium (Center for Advanced NMR Spectroscopy geheten, ofwel CANS) samen deel uitmaken van de faculteit Natuurwetenschappen, Wiskunde en Informatica, en deelnemen in de landelijk erkende onderzoekschool NSRIM (Nijmegen Science Research Institute for Molecules and Materials). Daardoor zitten fysici, chemici en biologen direct bij elkaar in de buurt. Zij doen niet alleen vanuit hun verschillende disciplines onderzoek met de magneten, maar inspireren elkaar ook over en weer tot nieuwe wetenschappelijke vragen en invalshoeken.

Uniek verkennend onderzoek
Toepassing van magneetvelden laat heel andere eigenschappen van materialen zien dan welke andere wisselwerking met materie of waarneemtechniek ook. Daarbij is het meeste werk met magneetvelden bij zeer lage temperaturen gedaan en nauwelijks bij kamertemperatuur, zoals in Nijmegen mogelijk is. Beide aspecten samen leveren een heel eigen kijk op materialen op, waarmee onderzoek in hoge magneetvelden een belangrijk explorerend karakter heeft. Omdat het HFML nu de mogelijkheid krijgt - als het ware met het draaien aan een knop - eigenschappen van materialen te bestuderen bij magneetvelden die bijna twee keer hoger zijn dan in enig normaal laboratorium, liggen verrassende en onverwachte ontdekkingen ongetwijfeld in het verschiet.

Compensatie zwaartekracht
Het laboratorium maakt deel uit van een brede bètafaculteit en is ingebed in een brede context van hoogwaardig fysisch, biologisch en chemisch onderzoek. Die directe betrokkenheid van de andere exacte wetenschappen staat garant voor een breed toepassingsgebied.
Met de bestaande magneten zijn de afgelopen jaren ook enkele opvallende experimenten gedaan. Het meest tot de verbeelding sprekend was magnetische levitatie. In een veld van 20 tesla blijkt de diamagnetische kracht in veel materialen voldoende sterk om de zwaartekracht te compenseren. Een zwevende kikker was indertijd het spectaculairste voorbeeld van dit verschijnsel. Dit effect geeft aan dat in een zeer hoog magneetveld verkennend onderzoek voor experimenten bij gewichtloosheid gedaan kunnen worden. Andere recente voorbeelden zijn het elektrisch manipuleren van licht in halfgeleiders (Science, vol. 294, 837-839) en het zichtbaar maken van faseverandering tussen oppervlak en bulk in vloeibare kristallen (Nature, vol. 421, 149-152).

Onderwijs
Het nieuwe HFML heeft een vormende waarde voor de opleiding van studenten. In de internationale omgeving die het HFML biedt kunnen zij ervaring opdoen op het gebied van planning en samenwerking met binnen- en buitenlandse onderzoekers. Dat zijn aspecten die horen bij de schaalvergroting op veel terreinen van de wetenschap en bij het werken in grote organisaties.

Realisatie: hoofdrol voor Nederlandse bedrijven
Het gebouw en infrastructuur van het HFML zijn voor rekening gekomen van de Nijmeegse universiteit. De investeringen voor de magneten en de magneetinstallatie zijn verzorgd door de Stichting voor Fundamenteel Onderzoek der Materie (FOM), daartoe in staat gesteld door de Nederlandse organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek (NWO) uit het budget van het Ministerie van Onderwijs, Cultuur en Wetenschappen. Daarnaast werden er subsidies ontvangen van de provincie Gelderland en uit het Europees Fonds Regionale Ontwikkeling, waarmee een aantal faciliteiten voor bedrijfsgericht onderzoek aan het laboratorium zijn toegevoegd.
De Nederlandse industrie heeft bij de realisatie van het laboratorium een hoofdrol gespeeld. De offertes waren zeer competitief en de geleverde producten voldeden aan de hoogste eisen. Haskoning ontwierp de koelinstallatie, Wolter & Dros bouwde die installatie en Imtech Vonk leverde de elektrische voeding (die 20 megawatt aan vermogen levert). Het HFML bezit drie nieuwe magneten. Een daarvan is geleverd door het magneetlaboratorium in Tallahassee; de andere twee zijn in licentie in eigen beheer gebouwd. Alle overige magneten zijn ofwel nieuw gebouwd in Nijmegen of bestaande magneten uit het oude laboratorium die verbeterd worden of nog zullen worden. Gebouw en inrichting hebben samen 23 miljoen euro gekost.

In het nieuwe HFML zullen jaarlijks 70 onderzoekers van over de hele wereld experimenten kunnen doen. Met het HFML bezit Nederland al met al een nieuwe Europese faciliteit van mondiale allure en uitstraling.

Meer informatie op www.hfml.kun.nl.