GPS en Einsteins equivalentieprincipe
Tweede jaarsproject Natuur- & Sterrenkunde bij het Instituut voor Theoretische Fysica Amsterdam (ITFA), onder begeleiding van Prof. Dr. E.P. Verlinde
Het tweede jaar van de bachelor sluit je af met een maand onderzoek bij instituut naar keuze. Samen met medestudent Jacinta Moons heb ik gekozen voor een onderzoek bij de theoreten. Wij hebben onderzoek gedaan naar de noodzaak voor relativistische correcties in het Global Positioning System. Het systeem dat als militaire toepassing begonnen is, en nu niet meer uit onze samenleving weg te denken.
In een twee dimensionaal vlak heb je drie satellieten nodig om je positie te kunnen bepalen. Elke satelliet zend een signaal uit met de tijd van verzending. Vervolgens krijg jij dit signaal iets later binnen, als je de verzonden tijd vergelijkt met je eigen tijd, kan je bepalen hoe lang het signaal heeft gereisd voordat het bij jou aankwam. Met dit tijdsverschil kan je de afstand bepalen tot de satelliet volgens x=vt, en omdat het signaal met de ligtsnelheid c reist krijgen we x=ct. Je bevind je dus ergens op de crikel rondom de satteliet met straal r=ct. Neem je een tweede satelliet, dan moet je je ergens bevinden op de twee snijpunten van de twee satellieten. Een derde satelliet geeft vervolgens uitsluiting over je positie. In onze drie dimensionale ruimte heb je een vierde satelliet nodig voor deze plaatsbepaling.
GPS berust dus op tijdsverschillen van ontvanger en satelliet. Een satelliet heeft dus een klok aan bord. Het is van belang dat deze klokken uiterst precies lopen want een discrepantie van 100 picoseconde kan er voor zorgen dat je positie wel 10 kilometer verkeerd wordt bepaald. Er is echter een probleem met de klokken in een satelliet. Satellieten staan op een hoogte van ongeveer 30.000KM boven de aarde, en om in hun baan te blijven hebben ze ook een hele hoge snelheid. Volgens de Relativiteitstheorien van Einstein zorgt dit er voor dat de klokken continu gecorrigeerd moeten worden, om niet uit de maat te gaan lopen.
Om het hele verslag te lezen klik hier: Theorie onderzoek GPS

Scanning Tunneling Microscopy
Research practicum bij het Van der Waals-Zeeman Instituut, onder begeleiding van Dr. J.B. Goedkoop
Hoe groot zijn de kleinste deeltjes die we met het oog kunnen waarnemen? Denk aan de dikte van een haar, paar micron. Deze kunnen we nog net zien, als het kleiner dan hebben we een microscoop nodig. Hoe sterker de lens hoe meer je kan inzoomen. Maar dit houdt op als we deeltjes willen bekijken die een afmeting hebben kleiner dan de golflengte van ligt, paar honderd nanometer. Met een optische microscoop is het dus nooit mogelijk om moleculen of atomen te zien.
Hier bedachten Gerd Binnig en Heinrich Rohrer een oplossing voor. De Nobelprijswaardige (gedeelde Nobelprijs met de electronenmicroscoop) Scanning Tunneling Mocroscoop! Deze microscoop maakt gebruik van het quantummechanische effect dat als tunneling bekend staat gebruik. Een hele dunne naald, de "tip", scant het oppervlak af, door kleine tunnelstroompjes te maken. Van deze scan kan met de computer een plaatje gevorm worden waar je de atomen in een rooster kan zien. Met deze methode kan je tal van roosters analyseren en experiementele uitspraken doen over de eigenschappen van een rooster.
In ons onderzoek, samen met medestudent Gijs Mulder, bestuderen we vooral de werking en het gebruik van de STM, en analyseren we de structuur van grafiet of HOPG (Highly Ordered Pyrolitic Graphite).
Om het hele verslag te lezen klik hier: Experiementeel onderzoek Scanning Tunneling Microscope

LED White light
Gecondenseerde Materie Labpracticum bij het Van der Waals-Zeeman Instituut, onder begeleiding van Prof. Dr. Hab. T. Gregorkiewicz
Sinds kort zijn de LED-lampen op de markt. Door minder warmteverlies zouden zij nog zuiniger moeten zijn dan de conventionele spaarlampen. Maar voordat dit zo ver was moest er behoorlijk wat onderzoek gedaan worden aan de ze LEDs.
Wat is nu precies een LED. Een Light Emitting Diode is een diode, die licht uitzend met één bepaalde frequentie. Als je deze frequentie kiest in het zichtbare spectrum, zal bijna alle energie worden omgezet in zichtbaar licht, en niet in infrarood licht zoals bij een gloeilamp. LEDs worden al iets langer gebruikt als fietslampjes of in electronica. Je kunt ze herkennen aan hun heldere felle kleuren. En hierin ligt ook in eerste instantie het probleem voor een kamerlamp. LEDs hebben altijd een kleur. De kleur wit is immers niet een kleur met een bepaalde golflengte, maar een mengsel van alle bestaande kleuren. Om wit licht te maken, zal je meerdere kleurenLEDs met elkaar moeten mengen. Nu is het zo dat wanneer je een rode, blauwe, en gele LED precies afstelt zodat ze samen wit licht geven, en deze drie LEDs vervolgens bij elkaar brengt, je oorspronkelijke instelling verloren gaat. Hierdoor krijg je net weer een andere kleur.
In het onderzoek samen met medestudent Tim Barenbrug onderzoeken we de effecten. Het blijkt zo te zijn dat wanneer je licht op een brandende LED schijnt, de intensiteit van de LED veranderd. Dit effect noemen we photoluminescence. Het vreemde echter is, dat de intensiteit van het licht, veel hoger wordt dan je zou verwachten.
Om het hele verslag te lezen klik hier: Experimenteel onderzoek LED; White light

Nuclear Magnetic Resonance
Natuurkunde Practicum jaar 2
NMR - in het nederlands Kernspin Resonatie - is een van de grote technische doorbraken waar niemand een idee van heeft. Een MRI scanner is eigelijk een hele grote NMR scanner, maar omdat patienten bang worden als ze het woord Nuclear horen, is de naam omgedoopt tot Magnetic Resonance Imaging.
Bij een NMR proef zet je een sample in een magneetveld. De kernen van een atoom hebben een zogenaamde quantummechanische spin. Deze spin heeft een richting en wil het liefst paralel aan het magneetveld staan. Wanneer je een kort radiopulsje afvuurt op het sample, zullen de magnetische momenten van de spins even van slag zijn, en niet meer in lijn met het magneetveld staan. Maar omdat het magneetveld nog steeds aan staat zullen de spins zich weer zo snel mogelijk orderen en paralel met het veld liggen. De tijd die het hier over doet, de relaxatietijd, is te meten. Elk materiaal heeft een andere relaxatietijd. Denk aan water, vet, en spierweefsel. Als je overal kan meten wat de relaxatie tijd is, dan kun je met de computer een mooi drie dimensionaal plaatje hiervan maken.
In het experiement samen met medestudent Sam van Leuven, kijken we naar de werking van NMR en meten we de relaxatietijden van samples met verschillende consentraties CuCl oplossing.
Om het hele verslag te lezen klik hier: Practicum NMR Kernspinresonantie

Al mijn online papers:

Binnenkortbeschikbaar: