‘Wanneer ik een experiment afrond, is het vaak niet het einde van iets, maar het begin.’

Op de Internationale dag van vrouwen en meisjes in de wetenschap is het tijd om het werk van één van onze eigen getalenteerde vrouwelijke collega’s wat beter te leren kennen. Chiara Cocchi is promovenda in de onderzoeksgroep Correlated Electron Systems bij HFML-FELIX. Hoe is zij uiteindelijk in een lab vol magneten terechtgekomen?

‘Toen ik in Nijmegen aankwam voor het tweede jaar van mijn master was ik op zoek naar een stage en had ik een heel fijn gesprek met één van de onderzoekers hier bij HFML-FELIX. Ik vond het ook echt een gaaf idee om te werken zo’n bijzondere faciliteit met grote magneten zoals ze die hier hebben. Ik had niet meteen een vaststaand doel, maar ik vond het idee van fundamenteel onderzoek met deze zeer praktische kant eraan echt heel leuk.’

HFML-FELIX is een nationaal onderzoeksinstituut met unieke faciliteiten. Onderzoekers van over de hele wereld komen hier om moleculen en materialen te bestuderen met behulp van enkele van de sterkste magneten ter wereld en vrije-elektronenlasers met een uitzonderlijk bereik in het infrarood. Deze extreme omstandigheden stellen wetenschappers in staat om veelbelovend gedrag en eigenschappen te bestuderen die je met andere technieken niet kunt zien. Dit levert kennis op die zijn weg vindt naar de geneeskunde, in nieuwe materialen en duurzamere toepassingen.

Ruimte voor creativiteit

Cocchi werkt aan het magneetlab van het instituut. De meetopstellingen daar stellen haar team instaat om fundamentele natuurkunde te combineren met zeer praktische experimenten. ‘We proberen verschillende soorten materialen te begrijpen en bestuderen hoe ze zich gedragen onder verschillende omstandigheden. Onze experimenten beginnen natuurlijk met een onderzoeksvraag, gebaseerd op eerder werk en ontworpen om bij te dragen aan het oplossen van een grotere puzzel. Maar het mooie van diep ingaan op deze fundamentele mechanismen is: er kunnen veel verrassingen in de resultaten zitten. Als je aan iets werkt dat meteen een toepassing of product moet zijn, is dit heel anders. Hier hebben we wat meer ruimte om te spelen. Er kunnen hele interessante en onverwachte dingen gebeuren wanneer je niet gefocust bent op wat het uiteindelijk moet worden, maar je gewoon kijkt naar wat je ziet gebeuren recht voor je neus en wat dit betekent.’

Nieuwsgierig, maar geduldig

Voor iedereen die zich afvraagt hoe je uiteindelijk in de natuurkunde komt te werken: in het geval van Cocchi was het een combinatie van toeval en nieuwsgierigheid. ‘Oorspronkelijk wilde ik geneeskunde studeren. Toen dat niet doorging, werd het mijn tweede keuze: natuurkunde. Ik heb altijd al genoten van dingen uitzoeken. En ik had het geluk om, toen ik een jaar middelbare school in Australië deed, een natuurkundeleraar te hebben die heel enthousiast en creatief was in de manier waarop hij ons lesgaf. We deden allerlei leuke experimenten in de klas. Hij was heel gepassioneerd en liet het echt tot leven komen. Het werd iets echts, niet alleen iets in boeken. Dat speelde een grote rol bij het uiteindelijk kiezen van mijn studierichting. Ik denk dat nieuwsgierig zijn iets is wat je echt nodig hebt in dit vakgebied. En geduld ook’, zegt Cocchi lachend. ‘Dingen gaan niet altijd zoals je wilt. Dat kan soms heel frustrerend zijn. Misschien werkt de meetopstelling niet en heb je geen idee waarom, of je krijgt geen bruikbare resultaten. Maar als je de problemen heb opgelost, het experiment daadwerkelijk werkt en je bruikbare resultaten krijgt, is het de moeite zo waard.’

Wat ze ook merkte is dat werken in zo’n laboratorium echt helpt om alle theorieën die je onderweg leert samen te brengen. ‘Op de middelbare school, of zelfs in het begin van je studie, kunnen veel dingen zo willekeurig lijken. Als verschillende mechanismen die naast elkaar gebeuren en niet verbonden zijn. Maar wanneer je echt diep in het onderwerp duikt en je er constant mee bezig bent, begin je de puntjes te verbinden en komt het allemaal een beetje samen. Dus maak je geen zorgen als je in het begin wat verdwaalt raakt in alle theorie, het wordt echt logischer.  En als dat bij iets waar je naar kijkt niet zo is, dan is het waarschijnlijk nóg meer de moeite waard om het wel uit te zoeken en moet je misschien gewoon nog wat geduldiger zijn.’

De basis voor toekomstige toepassingen

Waarom zouden onderzoekers nou hun tijd besteden aan het kijken naar hoe materiaal zich gedraagt? Dat doen ze omdat er veel is wat we nog niet weten over moleculen en materialen en omdat we altijd op zoek zijn naar nog betere oplossingen. Nieuwe moleculen om ons te helpen onze gezondheid of omgeving te begrijpen of verbeteren bijvoorbeeld, of nieuwe materialen om duurzamere en efficiëntere elektronica te maken.

Als het gaat om materialen, vooral als je een klein monster van iets neemt en je het blootstelt aan een extreme kracht zoals een sterk magnetisch veld, kunnen ze buitengewone en soms volledig nieuwe eigenschappen vertonen. ‘De magneten die we hier hebben kunnen een kracht bereiken van 38 tesla. Dat is veel als je bedenkt dat een koelkastmagneet maar ongeveer 0,1 bereikt. Je kunt de magneten hier voor je zien als een soort grote vaten. Het grootste deel van de binnenkant van dat vat bestaat uit de spoel die we nodig hebben om het magnetisch veld te creëren. In het midden ervan, van boven naar beneden, zit een buis, met een diameter van een paar centimeter. Daar is het magnetisch veld het sterkst, en daar plaats je je monsters om ze te bestuderen. Die van ons zijn heel klein, ongeveer een millimeter lang.’

Zodra het monster erin zit, kunnen de onderzoekers met verschillende parameters spelen om te zien hoe het reageert. Het magneetveld laten variëren, de temperatuur of druk veranderen, het monster in verschillende posities draaien, atomen eraan toevoegen om te zien hoe die het gedrag beïnvloeden, of het nog dunner of kleiner maken, om een paar opties te noemen. En dan moet je ook nog detecteren wat er met een monster op die zeer kleine schaal gebeurt. Wat weer vraagt om een hele reeks andere meetapparatuur en computerprogramma’s.

Veelbelovende eigenschappen

Cocchi bestudeert twee specifieke soorten materialen in deze setting. ‘Ik kijk naar topologische materialen, dat is een zeer brede klasse van materialen die specifieke kwantumeigenschappen hebben. Dat maakt ze goed of veelbelovend voor nieuwe toepassingen. En ik bestudeer ook gecorreleerde materialen, bijvoorbeeld supergeleiders op basis van ijzer, dit zijn materialen waarin elektronen zich anders gedragen dan in een normaal materiaal. Ze hebben sterkere interacties met elkaar, om het simpel te zeggen. Dus ze willen graag bij elkaar zijn en op elkaar reageren. En dan is het idee om te zien, oké, in materialen waar beide situaties naast elkaar bestaan, welke eigenschappen komen dan naar voren? Wat is de wisselwerking? En dan zie je misschien zoiets als supergeleiding ontstaan en kun je proberen uit te zoeken waar dit effect vandaan komt.’

Eén ding wat onderzoekers proberen te creëren of vinden zijn materialen die supergeleiding vertonen bij hoge temperaturen. Zulke materialen zouden interessant zijn voor kwantumcomputers en andere toekomstige elektronica. Het is maar één van de vele voorbeelden waarbij fundamenteel onderzoek noodzakelijk is voordat je daadwerkelijk iets kunt gaan bouwen. ‘Je moet echt de basis begrijpen. Wat de exacte structuur is van een materiaal, hoe het zich gedraagt, wat ervoor zorgt dat het zich zo gedraagt en hoe je het kunt beïnvloeden met verschillende technieken. Dat is wat we hier proberen uit te zoeken. Voor mij specifiek in materialen met onconventionele supergeleiding. En hier in het lab kunnen we deze processen in een zeer hoge resolutie zien vanwege de kracht van onze magneten.’

Zoals ze eerder al zei, vindt Cocchi het niet erg dat ze niet aan een afgewerkt product werkt. ‘Ik vind het heerlijk om deel uit te maken van de weg ernaartoe. Om bij te dragen aan de kennis die nodig is om daar te komen. Het maakt mij niet uit dat als ik een experiment afrond het niet het einde is van iets, maar meer het begin. Het is heel mooi om iets te creëren dat niet alleen interessant is voor mij, maar dat ook iets is waar andere wetenschappers op kunnen voortbouwen.’