De snelste vrouw op aarde: Margaret Murnane

In Berkeley ontmoette Murnane ook Henry Kapteyn, met wie ze later trouwde en waarmee ze kort daarna een gezamenlijke onderzoeksgroep opzette. Dat klinkt romantisch (en dat is het ongetwijfeld ook), maar zoiets was, en is, erg ongebruikelijk. De meeste universiteiten staan zelfs niet toe dat partners samen een onderzoeksgroep leiden! Toch bleek deze formule erg succesvol, want hun groep bestaat nog steeds en ze doen schitterend werk.

Snelste vrouw ter wereld

Tegenwoordig is Murnane’s onderzoeksrepertoire ontzettend divers, van plaatjes maken zonder lenzen tot het bestuderen van de structuur van moleculen. Toch is de fascinatie voor lasers een constante factor in haar werk, van haar promotieonderzoek tot nu. Al het werk dat ze doet, wordt in feite gedaan met behulp van de extreem krachtige lasers die ze in haar groep ontwikkeld heeft.

Zo goed zijn ze in het maken van deze korte-puls lasers, dat Murnane met haar groep in 1993 het record vestigde voor de kortste puls aller tijden: elf femtoseconden. Dat is een flits van elf miljoenste van een miljardste van een seconde! Ter vergelijking: er passen net zo veel van die pulsen in één seconde, als dat er uren in de leeftijd van het heelal passen. Inmiddels is haar record gebroken, maar voor even was Murnane dus de snelste vrouw ter wereld!

Smijten met electronen

Een tweede constante factor in Murnane’s werk, is het opwekken van röntgenstraling. Eigenlijk is het best raar dat in de modernste röntgenapparatuur nog steeds dezelfde soort stralingsbron wordt gebruikt als in 1895 door Wilhelm Röntgen. Nogal archaïsch, maar het is kennelijk heel moeilijk om straling van zulke hoge energie te maken.

Murnane en haar groep gebruikten in 1998 een nieuwe manier, door anderen uitgevonden voor het genereren van ultraviolet licht, om een soort röntgen-laser te maken. Wanneer ze hun felle, korte pulsen focusseren in een gas van Helium of Argon, creëert dit zo’n sterk elektrisch veld dat de elektronen losgescheurd worden van de atoomkernen. Maar omdat licht een golf is, wisselt even later dit elektrisch veld van richting, waardoor het losgeschoten elektron weer tegen de atoomkern aan wordt gesmeten. Dit is een dergelijk gewelddadig proces, dat het in staat is om licht met ontzettend hoge energie te produceren, zelfs röntgenstraling.

Een orkest uit de maat

Dat dit in principe mogelijk was, was destijds al bekend. Echter, het proces was niet erg efficiënt omdat het gepulste laserlicht dat de elektronen heen en weer smijt en de gegenereerde röntgenstraling niet met elkaar in de pas liepen. De röntgenstraling bewoog sneller door het gas dan de pulsen, waardoor je de straling van verschillende atomen niet bij elkaar kon optellen. Een beetje als een orkest waarbij de muzikanten niet in hetzelfde ritme spelen. Dan hoor je geen muziek, alleen maar lawaai.

De echte doorbraak van Murnane’s groep was om hun laserlicht door een dunne, holle glasvezel gevuld met gas te leiden. Door met de druk van het gas te spelen, konden ze ervoor zorgen dat de pulsen en de röntgenstraling even snel door de buis heen liepen. Plots kon je de muziek horen! En hard ook, want nu werd er wel honderd tot duizend keer meer röntgenstraling geproduceerd dan eerst.

Coherente straling

Zo heeft Murnane de toon gezet voor de röntgenbron van de toekomst. Omdat de straling die op deze manier geproduceerd wordt netjes in de pas loopt (in de natuurkunde noemen we dat coherente straling), is het mogelijk hiermee op hele nieuwe manieren beelden te maken. Zo worden coherente röntgenbronnen tegenwoordig al gebruikt voor het inspecteren van producten in de fabriek.

Om die techniek te verbeteren, onderzoekt Murnane ook hoe je met deze röntgenstraling zonder lenzen plaatjes met hoge resolutie kan maken, iets wat nooit zou kunnen met de ouderwetse bronnen van Wilhelm Röntgen. Voor medische doeleinden zijn haar röntgenbronnen helaas nog niet geschikt, omdat daarvoor straling met nog hogere energie nodig is. Tot dusver kan dat nog niet efficient en goedkoop genoeg geproduceerd worden, maar dat kan slechts een kwestie van tijd zijn.

Toys for boys

Alhoewel Murnane met haar onderzoek menig fysicus imponeert, is de natuurkunde , helaas, nog steeds een mannenwereld. Waar in 2015 in de VS gemiddeld zo’n 55% van de studenten met een bachelor’s vrouw was, was dit onder natuurkundestudenten slechts zo’n 20%. Dat dit niet zo zou hoeven zijn, zag ik op deze masterclass in Veldhoven. Drie uur lang hing ik aan Murnane’s lippen. Niet alleen doet ze fascinerend onderzoek, maar ze kan er ook inspirerend over vertellen. Daar stond ze, in een kamer vol jonge mannen, ons uit te leggen hoe ze haar ultrasnelle lasers, in zekere zin de ultieme wetenschappelijke ‘toys for boys’, had gebouwd. Ruim baan voor de vrouwelijke professoren!