ERC faciliteert NL onderzoek naar naar onder meer IoT-antennes, supergeleiding en kwantumzwaartekracht

Hier de winnende tech-onderzoeksvoorstellen:

Daniel Bonn (UvA) – Lokale dynamiek van complexe vloeistoffen en systemen

De natuurkunde van vaste stoffen staat bol van de onopgeloste problemen. Mechanische wrijving in motoren, machines en industriële processen is wereldwijd gezien een enorme veroorzaker van energieverlies, maar wordt wetenschappelijk nog altijd slecht begrepen. De overgang van materialen naar een glasachtige structuur (glasovergang) is misschien wel het belangrijkste onopgeloste vraagstuk binnen de fysica van de gecondenseerde materie. De reologie van complexe vloeistoffen, waarin stromingseigenschappen centraal staan, is een derde alomtegenwoordig verschijnsel dat nog slecht begrepen is. Wrijving, glasovergang en reologie hebben met elkaar gemeen dat hun macroscopische mechanische gedrag het gevolg is van een complexe microscopische wisselwerking tussen lokale spanningen – een wisselwerking waarin men nog weinig inzicht heeft. Dit gebrek aan inzicht vormt een belangrijk obstakel bij het maken van bijvoorbeeld kogellagers, kunststoffen en voedingsmiddelen.

Bonn wil een nieuw venster openen als het gaat om de bestudering van lokale spanningen in complexe materialen, gebaseerd op recente ontwikkelingen in fluorescentiemicroscopie. Er zijn in recent onderzoek nieuwe moleculen ontwikkeld waarvan de fluorescentie-eigenschappen sterk afhankelijk zijn van de omgeving, en met name van hun lokale spanningen of ruimtelijke inperking. Met deze lokale sensoren wil hij komen tot innovatieve methoden om de genoemde fundamentele wetenschappelijke problemen aan te pakken. Bonn onderzoekt de verschijnselen die daaraan ten grondslag liggen tot op nanometerschaal en met een ongekende temporele resolutie.

Op die manier wil Bonn drie baanbrekende resultaten bereiken: 1) het lokaal meten van de spanningen die een rol spelen bij een wrijvingscontact, 2) het lokaal meten van de verandering van viscositeit (‘stroperigheid’) bij een glasovergang, en 3) het visualiseren en kwantificeren van spanningsoverdracht in stromende complexe vloeistoffen om het gedrag van dergelijke vloeistoffen microscopisch te verklaren. Door de lokale stromingsdynamiek van complexe vloeistoffen veel gedetailleerder te onderzoeken dan voorheen mogelijk was, zal Bonn met zijn project een aantal van de moeilijkste problemen in de niet-lineaire fysica en (statistische) mechanica kunnen oplossen, met verreikende technische gevolgen.

Bram Nauta (UT) – High Risk, No Gain

In smartphones en alle andere alle apparaten die draadloos via Internet of Things (IoT) gaan communiceren, is de elektronica grotendeels digitaal. Toch begint het altijd analoog, bij de antenne en de ontvanger. Dit is steeds complexer geworden. Uit heel veel sterke signalen moet de ontvanger soms net dat éne zwakke signaaltje zien op te vangen en verwerken. Dit signaaltje oppeppen met een versterker, is de meest voor de hand liggende oplossing. Maar die versterkers zijn verre van ideaal, aldus prof.dr.ir. Bram Nauta, hoogleraar Integrated Circuit Design. Ze nemen veel ruimte in beslag, ook doordat er allerlei extra componenten nodig zijn. En ze gebruiken veel energie. Zijn gewaagde ‘high risk’ idee is dus: vergeet de versterker maar helemaal: ‘no gain’. Ontwerp, in plaats daarvan, een filter dat zo superselectief is dat het ook die zwakke signalen vindt. Hiervoor wil Bram Nauta een concept gaan gebruiken dat ‘N-path-filter’ heet, waarbij N het aantal ‘paden’ is waaruit het filter bestaat.

De geschiedenis van dit type filter voert terug naar 1947 – het jaar waarin ook de transistor is uitgevonden, de basis van de elektronica. Nadat het filter een tijdje in de vergetelheid was geraakt, heeft Nauta’s groep recent laten zien dat N-Path filters (met N tussen 4 en 8) ook geschikt zijn voor moderne radio-ontvangers. Dit wil hij nu verder uitwerken. Tussen de antenne en de omzetter van analoog naar digitaal (‘AD converter’) komt dan alleen maar een filter. Dat stelt hoge eisen aan de AD-omzetter, die met veel kleinere, onversterkte signalen gaat werken. En hoewel het basisidee van een N-Path filter eenvoudig is, komt alles aan op goede timing. "De nauwkeurigheid van de timing moet veel beter zijn dan alles wat op dit moment mogelijk is", aldus Nauta. Hij streeft in het project naar radio-ontvangers die uit een overvol radiospectrum toch een hoge ‘data rate’ weten te halen, en ultrazuinig zijn, voor onder meer sensornetwerken die straks helemaal geen batterijen meer gebruiken. Terug naar de essentie, voor betere prestaties.

Wilhelm Huck (RU) – Bouwen van een moleculaire computer

Chemicus Wilhelm Huck onderzoekt hoe uit ogenschijnlijk onontwarbare kluwens van reacties uiteindelijk een levend systeem kan ontstaan. Cruciaal hierin is een begrip van reactienetwerken. Deze netwerken zorgen ervoor dat levende organismen in staat zijn om te reageren op hun omgeving, zelfstandig besluiten te nemen, energie op te nemen om te groeien en te vermenigvuldigen. Deze netwerken zijn dus eigenlijk een soort moleculaire computers die informatie op moleculaire schaal kunnen verwerken en opslaan.

Met deze ERC Advanced grant wil Huck de grondslagen leggen voor het bouwen van een dergelijke computer. In tegenstelling tot elektronische computers, hebben we nog maar weinig inzicht in hoe moleculaire netwerken geprogrammeerd kunnen worden. Het uiteindelijke doel is om dergelijke moleculaire systemen in te zetten als ‘vertaallaag’ tussen elektronische apparaten en menselijke cellen, door bijvoorbeeld instructies van sensoren om te zetten in moleculaire signalen die door cellen begrepen worden.

Nigel Hussey (RU) – De paradox van supergeleiding in exotische metalen

Experimenteel natuurkundige Nigel Hussey bestudeert de verplaatsing van elektrische lading in exotische metalen en supergeleiders onder extreme omstandigheden. In gewone metalen kunnen de elektronen die aanleiding geven tot de elektrische stroom honderden of duizenden periodes van het kristallijne rooster afleggen voordat ze worden verstrooid – verstrooiing is het proces dat aanleiding geeft tot soortelijke weerstand. In deze exotische metalen is het verstrooiingsproces echter zo intens dat elektronen zich nauwelijks over een enkele cel kunnen verplaatsen voordat ze een verstrooiende gebeurtenis meemaken. Opmerkelijk is dat wanneer deze metalen worden afgekoeld, ze supergeleidend worden bij temperaturen die veel hoger liggen dan bij gewone metalen.

Hussey zal zijn ERC Advanced grant gebruiken om zijn idee te testen dat terwijl de supergeleiding op hoge temperatuur aanvankelijk het resultaat is van de interactie die deze verstrooiing veroorzaakt, het uiteindelijke lot is dat de supergeleiding erdoor wordt vernietigd, aangezien het verstrooien zo sterk wordt dat de elektronische status die wordt vereist om de supergeleider te vormen, zelf wordt vernietigd. Deze paradox zal grondig worden getest met behulp van de gezamenlijke faciliteiten op de Radboud-campus van het High Field Magnet Laboratory en laserlab Felix (HFML Felix).

   

Carlo Beenakker (Universiteit Leiden) – Majorana-deeltjes in supergeleiders

Qubits, de bouwstenen van een kwantumcomputer, bewegen normaal gesproken niet. Dat is problematisch voor de ontwikkeling van een topologisch kwantumcomputer, omdat deze juist werkt door qubits uit te wisselen – een proces dat ‘verstrengelen’ wordt genoemd. Beenakker heeft met zijn ERC-project als doel uit te zoeken of deze qubits toch in beweging zijn te krijgen met behulp van een supergeleidend materiaal.

Het idee is dat dit zou kunnen door een spanningspuls te geven op een isolator dwars op een supergeleidende draad. Hierdoor zal een qubit-paar zich met grote snelheid gaan voortbewegen langs de beide zijden van de supergeleider. Elk van deze ‘vliegende’ qubits is een zogenaamd Majorana-deeltje. De verwachting is dat het verstrengelen plaatsvindt op het moment dat een van de Majorana-deeltjes de ander kruist. Tot nu toe is het verstrengelen van Majoranadeeltjes nog niet gelukt, dus misschien zijn deze vliegende qubits wel de sleutel om de topologische kwantumcomputer te realiseren.

Beenakker ontving in 2009 ook al een ERC Advanced Grant. Hij is daarmee een van de weinigen die deze beurs tweemaal ontving.

Jan de Boer (UvA) – Eigenschappen van kwantumzwaartekracht

Het samenspel tussen twee van de belangrijkste ingrediënten van de natuur – de kwantummechanica en de zwaartekracht – is al een eeuw lang een grote inspiratiebron binnen de theoretische natuurkunde. Het leidde tot grote ontdekkingen zoals de Hawkingstraling die zwarte gaten uitzenden, en tot de ontwikkeling van theoretische modellen zoals de snaartheorie. Kennis over de wisselwerking tussen kwantummechanica en zwaartekracht leidde ook tot het inzicht dat de natuurkunde op het meest fundamentele niveau wordt beheerst door de regels van de kwantummechanica, terwijl zwaartekracht juist iets is dat pas op grotere schaal ontstaat, als effectieve, ‘gemiddelde’ beschrijving van de onderliggende kwantumeffecten. Dergelijke kwantumeffecten zijn vaak ‘niet-lokaal’: wat op één plaats gebeurt kan direct te maken hebben met iets wat heel ergens anders plaatsvindt. Tegelijkertijd is de beschrijving van de zwaartekracht die natuurkundigen gebruiken – Einsteins algemene relativiteitstheorie – wél lokaal, ook als die wordt toegepast in effectieve kwantumveldentheorieën.

Met de recente ontdekking van zwaartekrachtgolven en het uitvoeren van verschillende experimenten die de algemene relativiteitstheorie op de proef stellen, is het volgens De Boer de hoogste tijd om te kijken naar de geldigheid van deze lokale modellen voor het beschrijven van waarneembare kwantumzwaartekracht-effecten. Recent onderzoek naar de zogeheten informatieparadox, een raadsel rond de vraag of de Hawkingstraling uit zwarte gaten nu wél of géén informatie bevat, en naar andere kwantumeigenschappen van zwarte gaten, leidde tot de conclusie dat het concept van een effectieve kwantumveldentheorie moet worden aangepast om ook de kwantumzwaartekracht te kunnen beschrijven.

De Boer wil komen tot een precieze en kwantitatieve beschrijving van deze aanpassingen om vervolgens de koppeling te maken met mogelijke experimentele ontdekkingen. In zijn onderzoek maakt hij daarvoor gebruik van een combinatie van thermodynamica, hydrodynamica en kwantuminformatietheorie.