Masterstages op het IL
Bijna niets is zo mooi als een beslissende waarneming, behalve misschien een sluitende verklaring voor die waarneming. Daar is het de theoretici om te doen. Want je kunt honderd verschillende theorieën bedenken, maar het experiment is de scherprechter. Van alle natuurkundigen zijn de theoretici het verst verwijderd van de wereld van de vijf menselijke zintuigen. Men zegt weleens: daar staat je verstand bij stil. Maar het omgekeerde is het geval: daar gaat je verstand pas écht aan het werk. Zoals onze andere zintuigen door de natuur gemaakt zijn om je te redden, zo is het ook met het verstand. Begrijpen is de rechtvaardiging van het onderzoek. Daaruit ontstaan nieuwe vragen, waarop weer een nieuw antwoord gevonden moet worden.
Vincent IckeDe theoretische natuurkundigen in Leiden zijn voornamelijk geconcentreerd op de 2e verdieping van het Oortgebouw, in het Instituut-Lorentz voor Theoretische Natuurkunde. Dit moet niet verward worden met het Lorentz Center op de 3e verdieping, dat gelegenheid en ondersteuning biedt bij het organiseren van kleine conferenties en workshops op het gebied van wiskunde, natuurkunde, sterrenkunde en informatica.
In het volgende wordt ingegaan op de vraag wie het Instituut-Lorentz (IL) bevolken, met welke onderwerpen ze zich bezig houden en hoe studenten in de masterfase daar in passen.
Docenten en onderwerpen Wat betreft de bevolking van het IL zullen we ons wat de namen betreft beperken tot de vaste wetenschappelijke staf van hoogleraren en docenten. Daar moet onmiddellijk bij vermeld worden dat de andere aanwezigen veruit in de meerderheid zijn: in totaal zijn er gemiddeld ruim 30 promovendi, post-docs, masterstudenten (in de afstudeerfase van de MSc Physics, track Theoretical Physics) en gasten in het IL, waarvan de promovendi en post-docs met 12 elk het grootst in aantal zijn.
Qua onderwerp zijn de theoreten in het IL ruwweg ingedeeld in vier groepen: de grootste houdt zich bezig met de "Theorie van Gecondenseerde Materie" (TGM), een samenvoeging van wat vroeger ook wel Theorie van de Vaste Stof en Statistische Fysica heette. Een andere grote groep onderzoekt "Astrodeeltjesfysica, Kosmologie en Hoge Energie Fysica" (AKHEF); hier zijn Quantumveldentheorie, Algemene Relativiteitstheorie en Mathematische Fysica de basis. Verder is er een groep die "Theoretische Fysica van Levensprocessen" (TFL) bedrijft, waarin Statistische Fysica, Mathematische Fysica en Computationele Natuurkunde worden beproefd op systemen van belang voor levende materie. Tenslotte is er een beginnende activiteit op het gebied van "Econofysica en Netwerktheorie": het toepassen van methoden en technieken ontwikkeld en bekend in de fysica op economische en financiële systemen. Zoals een goed instituut betaamt zijn er ook onderzoeken waarin stafleden van de verschillende groepen samenwerken; met name de samenwerking tussen TGM en AKHEF is momenteel levendig te noemen.
Binnen het thema TGM is het onderzoeksterrein van prof. Carlo Beenakker de Nanofysica. Dit gebied is de laatste 20 jaar tot grote bloei gekomen, gestimuleerd door de steeds verdergaande miniaturisering in de elektronische industrie. Studies van het quantumtransport in laag-dimensionale systemen hebben voor voorspellingen en verklaringen gezorgd van allerlei nieuwe effecten. Theoretische concepten als de "random matrix theorie" zijn vervolgens ook zeer bruikbaar gebleken op het gebied van de quantumoptica (random lasers), quantumchaos en quantumcomputers. Momenteel is het onderzoek gefocusseerd op hoe de bijzondere eigenschappen van materialen als grafeen (de twee-dimensionale vorm van koolstof) en "topologische" vaste stoffen (van isolatoren tot supergeleiders) gebruikt kunnen worden in "quantuminformatica".
De theoretische verklaring van de eigenschappen van sterk gecorreleerde elektron systemen zoals de hoge-temperatuur supergeleiders is bij uitstek het werkterrein van prof. Jan Zaanen. Er is intense aandacht voor de beschrijving van gecondenseerde materie met behulp van quantumveldentheorie, bv. in quantum magnetisme en quantum vloeibare kristallen, maar ook voor de connectie tussen quantum materie en quantumgravitatie.
Vanaf januari 2010 is dr. Vincenzo Vitelli werkzaam binnen het Instituut-Lorentz. Zijn onderzoeksterrein is dat van de zachte gecondenseerde materie en de statistische fysica van wanordelijke, granulaire en gefrustreerde materie, in het bijzonder wanneer er gekromde oppervlakken in het geding zijn.
In het thema AKHEF houdt prof. Ana Achúcarro zich bezig met de Theoretische Kosmologie. Haar onderzoek naar topologische defecten en objecten (monopolen, vortices, domeinwanden, snaren en gegeneraliseerde membranen) legt een verband tussen de gecondenseerde materie en de veldentheorie: "kosmologie in het laboratorium".
Dr. Koenraad Schalm richt zijn onderzoekspijlen momenteel op de mogelijkheden voor observeerbare tekenen van snaartheorie (string theory) in kosmologische waarnemingen, in experimenten in de deeltjesfysica en zelfs in sterk-gecorreleerde vaste stoffen als hoge-temperatuur supergeleiders.
Sinds september 2011 is dr. Alexey Boyarsky werkzaam in het IL; zijn onderzoek combineert Hoge Energie Fysica en Kosmologie en is gericht op theorieën die verder gaan dan het Standaard Model (van de deeltjesfysica), om bv. het probleem van donkere materie aan te pakken: deeltjesfysica en het vroege heelal.Een relatief jonge activiteit (maar ondertussen toch al meer dan 10 jaar oud) is het thema TFL: binnen het Instituut-Lorentz houdt prof. Helmut Schiessel zich bezig met de Theoretische Fysica van biologische systemen en polymeren; in het bijzonder de compactificatie van DNA tot chromatin, DNA nanomachines en het gedrag van geladen polymeren in het algemeen.
Voor een dag in de week is prof. Gerard Barkema aan het IL toegevoegd als bijzonder hoogleraar op het gebied van de toepassing van computationele natuurkunde op (bio)polymeren. Zijn hoofdactiviteiten voert hij uit binnen het Instituut voor Theoretische Fysica van de Universiteit Utrecht.Het jongste aandachtsgebied van de onderzoekers in het IL is de "Econofysica". Sinds maart 2011 is dr. Diego Garlaschelli zijn expertise op het gebied van complexe netwerken binnen het IL aan het toepassen op de economische complexiteit. Dr. Peter Denteneer onderzoekt in hoeverre eenvoudige modellen van toepassing zijn en verklaringen kunnen bieden voor de verschijnselen die optreden wanneer de interacties sterk zijn en/of wanneer er sprake is van een wanordelijke omgeving of dynamica. In het verleden is dit vooral gedaan voor elektronen in vaste stoffen en Bose-gecondenseerde atomen gevangen in "optisch roosters". Meer recent is de interesse verlegd naar de "Econofysica".
Onderzoekstages We zijn dan aanbeland bij de vraag hoe studenten in het masterprogramma van de opleiding Natuurkunde, specialisatie ("stream") Research in Theoretical Physics, binnen het IL opereren. Voor informatie over de mogelijkheden voor promotie-onderzoek (Ph.D.) verwijzen we naar deze veelgestelde vragen. Net als de onderzoeksterreinen zal ook de gang van zaken rondom onderzoekstages slechts kort belicht worden; voor meer details en verder advies zijn geïnteresseerden welkom bij ondergetekende, die optreedt als coördinator van de streams "Research in Theoretical Physics" (TP) en "Cosmology" binnen het Master programma Natuurkunde (MSc Physics). Ook kan de studiegids Master Physics op het internet geraadpleegd worden.
Ruwweg is de opzet van de masterstream Research in Theoretical Physics dat er in het eerste jaar geavanceerde colleges of werkgroepen op masterniveau worden gevolgd en in het tweede jaar een onderzoekstage wordt verricht. De colleges dienen een coherent pakket van vakken in de Theoretische Natuurkunde, Wiskunde of (Algemene) Natuurkunde te vormen. Het college "Quantum Theory" en de werkgroep "Topics in Theoretical Physics" (met een jaarlijks wisselend onderwerp van belang voor de grote onderzoeksthema's van het IL) zijn verplichte onderdelen. Daarnaast kan in ieder geval gekozen worden uit een aantal colleges over basisdisciplines binnen de theoretische natuurkunde, zoals "Statistical Physics", "Quantum Field Theory", en "Theory of Condensed Matter". De stagetijd wordt besteed aan theoretisch onderzoek aan een onderwerp dat door de begeleider wordt voorgesteld en wordt afgesloten met een scriptie en een voordracht. Het is goed te bedenken dat een zorgvuldige en accurate verslaglegging en een aansprekende presentatie belangrijk onderdelen zijn van theoretisch onderzoek en dat een tijdsinvestering van een kwart van de stage voor het schrijven en bijstellen van de scriptie en het voorbereiden van de presentatie als normaal gezien moet worden.
Ieder van de eerder bij naam genoemden kan optreden als begeleider van studenten voor een onderzoekstage TP. In de praktijk kan het voorkomen dat je medebegeleid wordt door een promovendus of een post-doc onderzoeker die hier werkzaam is. Binnen zekere marges ligt de keuze bij welke docent je stage loopt bij de student. In een eerste gesprek met de coördinator wordt getracht aan de hand van interesses en capaciteiten de keuze enigszins te beperken; met de overblijvende docenten kan dan een gedetailleerder gesprek volgen over aard en inhoud van een eventuele stage.
Aard en inhoud van de stage kunnen in verschillende gevallen enorm variëren en het is moeilijk daar op deze plek in detail op in te gaan. In het algemeen krijg je een eigen onderwerp of project waarover je met de methoden en middelen die een theoreticus ter beschikking staan (potlood, papier, wetenschappelijke literatuur, computers, koffie, ....) inzicht moet zien te ontwikkelen of je krijgt een probleem waarvoor je een oplossing moet zoeken (de zoektocht kan soms zelfs interessanter zijn dan de oplossing), natuurlijk bijgestaan door je begeleider(s). Het kan gaan om een behoorlijk grote som of het uitdiepen van een theoretische vraag aan de hand van (al dan niet recente) wetenschappelijke artikelen of boeken, mogelijk aangevuld met analytische en/of numerieke berekeningen. Tijdens de stage krijg je desgewenst de beschikking over een werkplek op het Instituut, gedeeld met enkele andere stage-studenten. Het doen van theoretisch onderzoek is voor een groot deel een individuele bezigheid, maar je zult zien dat het leggen van contacten met andere bewoners van het Instituut en het met hen praten over je onderwerp de vooruitgang van je eigen begrip enorm kan stimuleren. De gezamenlijke werkbesprekingen, voordrachten, colloquia en niet te vergeten koffie- en lunch-pauzes bieden daartoe goede mogelijkheden.
Meer info Indien je belangstelling in de hoek van de Theoretische Natuurkunde ligt en je bent in de buurt van afronding van een bachelorprogramma in de Natuurkunde, kom dan eens langs voor een oriënterend gesprek bij:
Dr. Peter Denteneer
Instituut-Lorentz voor Theoretische Natuurkunde
Oortgebouw, kr. 235, tel. 071-5275508
E-mail: zie hier