Nico Bloembergen(1920-2017)

Nobelprijswinnaar · Laserfysicus · Pionier van de niet-lineaire optica

Vandaag vieren we de geboortedag van Nico Bloembergen een van de meest
invloedrijke natuurkundigen van de twintigste eeuw.

Verderop in dit blog zijn verhaal.

De bewerking hierboven en de verjaardagskalender met 366 bijzondere Nederlanders, zijn made by me, Frieke

Click op een afbeelding om de volledige kalender te bekijken

1. Vroeg leven en opleiding in Nederland

Nicolaas Bloembergen werd op 11 maart 1920 geboren in Dordrecht, een historische havenstad in de Nederlandse provincie Zuid-Holland. Hij groeide op in een academisch ingesteld gezin en toonde al op jonge leeftijd een bijzondere aanleg voor wiskunde en de exacte wetenschappen.

Na een uitstekende middelbare schoolopleiding schreef Bloembergen zich in aan de Universiteit Utrecht, een van de oudste en meest gerenommeerde universiteiten van Nederland. Daar begon hij zijn studie natuurkunde, gegrepen door de fundamentele vragen over licht, materie en energie die de moderne kwantummechanica deed oprijzen.

De Tweede Wereldoorlog gooide roet in het eten. Tijdens de Duitse bezetting van Nederland (1940-1945) werden universitaire activiteiten ernstig aan banden gelegd. Bloembergen slaagde er desondanks in om zijn studie voort te zetten en zijn theoretische kennis te verdiepen, veelal met schaarse leerboeken en zonder toegang tot laboratoria. Deze periode van noodgedwongen zelfstudie scherp zijn analytische denkvermogen en legde mede de basis voor zijn latere doorbraken.

Naar Harvard: een nieuwe wereld

Direct na de bevrijding in 1945 voltooide Bloembergen zijn kandidaatsexamen en greep hij de kans om zijn academische horizon te verbreden. In 1946 vertrok hij naar de Verenigde Staten, waar hij werd aangenomen als promovendus aan Harvard University in Cambridge, Massachusetts. Harvard was destijds het absolute middelpunt van de mondiale natuurkunde, en Bloembergen werkte er onder professor Edward Purcell, een autoriteit op het gebied van kernmagnetische resonantie (NMR).

Purcell zou in 1952 zelf de Nobelprijs voor Natuurkunde ontvangen voor zijn NMR-onderzoek. De samenwerking met deze grootheid zou Bloembergens wetenschappelijke koers permanent bepalen.

2. Kernmagnetische resonantie en het BPP-paper

Bloembergens proefschrift, verdedigd in 1948, handelde over kernmagnetische relaxatie en was onmiddellijk een mijlpaal. Samen met Purcell en Robert Pound publiceerde hij het artikel dat de geschiedenis in zou gaan als het 'BPP-paper' (Bloembergen, Purcell, Pound, 1948).

Het BPP-paper beschreef voor het eerst rigoureus hoe atomaire kernen in een magnetisch veld energie uitwisselen met hun omgeving. Deze relaxatietheorie is tot op heden het fundament van elke NMR-toepassing, inclusief de MRI-scanner die in ziekenhuizen wereldwijd levens redt.

Kernmagnetische resonantie berust op het feit dat bepaalde atoomkernen, zoals waterstof, zich gedragen als kleine magneetjes. In een sterk extern magnetisch veld richten ze zich gedeeltelijk uit; een radiofrequentiesignaal kan ze vervolgens doen resoneren. Door de manier te bestuderen waarop de kernen daarna terugkeren naar hun evenwichtstoestand, krijgt men gedetailleerde informatie over de moleculaire omgeving.

Bloembergens inzichten in de T1- en T2-relaxatietijden zijn de theoretische pijlers waarop later de Magnetische Resonantie Beeldvorming (MRI) is gebouwd. Jaarlijks worden wereldwijd honderden miljoenen MRI-scans gemaakt; zonder Bloembergens werk zou deze technologie niet bestaan.

3. Laserfysica: de drieniveaumaser en niet-lineaire optica

In de jaren vijftig verschoof Bloembergens aandacht naar een nieuw en opwindend terrein: de maser en later de laser. Waar een gewone radiozender willekeurige, onsamenhangende golven uitstraalt, produceert een laser of maser coherent, strak gebundeld licht of microgolfstraling.

De drieniveaumaser (1956)

In 1956 publiceerde Bloembergen een baanbrekend voorstel: de drieniveaumaser. Het concept maakte gebruik van drie energieniveaus van atomen of moleculen om een toestand te bereiken waarbij meer deeltjes in een hoogenergetische toestand verkeren dan in een laag-energetische toestand. Dit verschijnsel, populatie-inversie, is de voorwaarde voor versterking van elektromagnetische straling.

Bloembergens ontwerp was de blauwdruk voor vrijwel alle latere maser- en lasertypes. Zijn artikel uit 1956 wordt beschouwd als een van de meest geciteerde en invloedrijkste publicaties in de twintigste-eeuwse fysica.

Niet-lineaire optica: een nieuw vakgebied

Na de uitvinding van de laser in 1960 door Theodore Maiman zag Bloembergen direct de enorme wetenschappelijke mogelijkheden van coherent licht. Wanneer intensieve laserstralen door een kristal of gas worden geleid, gedragen deze media zich niet langer lineair: de polarisatie van het materiaal is niet meer evenredig met het elektrische veld van het licht. Er treden nieuwe, zogeheten niet-lineaire optische effecten op.

Bloembergen legde de theoretische grondslagen om deze effecten te begrijpen, te berekenen en te voorspellen. Hij analyseerde fenomenen als:

• Frequentiedubbling (SHG): twee fotonen fuseren tot een foton met de dubbele frequentie.
• Raman-verstrooiing: licht wordt verstrooid onder energieoverdracht aan moleculaire trillingen.
• Vier-golvenmenging: drie laserbundels genereren een vierde bundel op een nieuwe frequentie.
• Optisch parametrische versterking: laservermogen wordt overgedragen aan twee nieuwe golflengtes.

Deze inzichten stichtten de niet-lineaire optica als zelfstandige wetenschapsdiscipline, met toepassingen die vandaag de dag onmisbaar zijn in de industrie, geneeskunde en fundamenteel onderzoek.

4. Laserspectroscopie: atomen lezen met licht

Naast zijn theoretische werk was Bloembergen een meesterlijk experimentator. Hij was een pionier in de laserspectroscopie: het gebruik van nauwkeurig afgestelde lasers om de energieniveaus van atomen en moleculen te meten met ongekende precisie.

Traditionele spectroscopie had een fundamentele beperking: de Doppler-verbreding. Atomen bewegen met verschillende snelheden, waardoor hun geabsorbeerde of uitgestraalde frequenties enigszins variëren en spectrale lijnen verbreden. Bloembergen en zijn groep ontwikkelden technieken om deze verbreding te omzeilen, waaronder twee-fotonabsorptiespectroscopie zonder Doppler-verbreding.

Met laserspectroscopie kunnen wetenschappers atomaire structuren meten met een precisie van een deel per miljard of beter. Atoomklokken die op dit principe werken, meten de tijd zo nauwkeurig dat ze in vijf miljard jaar minder dan een seconde afwijken.

De methoden die Bloembergen mede ontwikkelde, vormen de ruggengraat van moderne analytische chemie, atoomfysica en metrologie (de wetenschap van meten). Ze worden toegepast in atoomklokken voor GPS-satellietnavigatie, in de spectroscopische analyse van medische monsters en in de fundamentele toetsing van de kwantumelektrodynamica (QED).

5. Nobelprijs voor Natuurkunde 1981

Op 10 december 1981 ontving Nico Bloembergen de Nobelprijs voor Natuurkunde in Stockholm. Hij deelde de prijs met Arthur L. Schawlow (Stanford University) voor hun gezamenlijke bijdragen aan de laserspectroscopie. De andere helft ging naar de Zweedse fysicus Kai M. Siegbahn voor zijn ontwikkeling van de elektronenspectroscopie.

Het Zweedse Nobelcomité motiveerde de toekenning als: erkenning voor fundamentele bijdragen aan de ontwikkeling van laserspectroscopie en niet-lineaire optica, wetenschapsgebieden met verstrekkende toepassingen in geneeskunde, communicatie en fundamenteel onderzoek.

Voor Nederland was de prijs een bijzondere eer: Bloembergen was de eerste Nederlandse Nobelprijswinnaar Natuurkunde sinds Frits Zernike in 1953. Zijn prijs bevestigde de internationale rang van de Nederlandse wetenschappelijke traditie.

In zijn Nobellezing schetste Bloembergen helder hoe niet-lineaire optica was uitgegroeid van een academische curiositeit tot een technologie met breed maatschappelijk belang. Zijn vermogen om complexe fysica begrijpelijk te maken voor een breed publiek was typerend voor zijn stijl als wetenschapper en docent.

6. Carrière aan Harvard University

Bloembergen bracht zijn gehele academische carrière door aan Harvard University. In 1951 werd hij aangesteld als universitair docent, en hij klom op via hoogleraar tot de prestigieuze positie van Gerhard Gade University Professor, een functie die hij bekleedde van 1974 tot zijn emeritaat in 1990.

Zijn laboratorium aan Harvard was decennialang een broedplaats voor toptalent. Studenten en postdocs uit de hele wereld kwamen naar Cambridge om bij hem te werken. Velen van hen bouwden zelf succesvolle academische carrières op, zodat Bloembergens invloed zich als een wetenschappelijke stamboom over de wereld verspreidde.

Bloembergen stond bekend om zijn heldere fysische intuïtie: hij zocht altijd naar het eenvoudige beeld achter de wiskunde en stimuleerde zijn studenten hetzelfde te doen. Zijn leerboek Nonlinear Optics (1965) is nog altijd een standaardwerk in het vakgebied.

Na zijn emeritaat in 1990 was hij gastprofessor aan de University of Arizona in Tucson, waar hij bleef publiceren en deelnemen aan internationale conferenties.

7. Toepassingen: van ziekenhuis tot glasvezel

MRI en medische diagnostiek

Bloembergens NMR-theorie vormt het fundament van de MRI-scanner. Elk jaar worden wereldwijd meer dan 400 miljoen MRI-onderzoeken uitgevoerd. De technologie maakt het mogelijk om tumoren, hersenbloedingen en gewrichtsschade te detecteren zonder ioniserende straling.

Medische lasers

De inzichten in laseroptiek die Bloembergen hielp ontwikkelen, liggen ten grondslag aan toepassingen als ooglaserchirurgie (LASIK), de behandeling van huidaandoeningen, laserablatie van tumoren en de precisiechirurgie waarmee neurochirurgen te werk gaan.

Glasvezelcommunicatie en internet

Moderne glasvezelnetwerken maken intensief gebruik van niet-lineaire optische effecten om signalen over duizenden kilometers te versterken en te sturen. Optische versterkers op basis van gestimuleerde Raman-verstrooiing en vier-golvenmenging zijn direct gebaseerd op principes die Bloembergen beschreef.

GPS en atoomklokken

Laser spectroscopische technieken zijn onmisbaar in optische atoomklokken, de meest nauwkeurige tijdmeetinstrumenten ooit gebouwd. Het GPS-systeem dat miljarden mensen dagelijks gebruiken is afhankelijk van de extreem precieze tijdsynchronisatie die dergelijke klokken mogelijk maken.

Fundamenteel wetenschappelijk onderzoek

Bloembergens methoden inspireerden de ontwikkeling van ultrakorte laserpulsen (femtosecondelasers), waarvoor de Egyptisch-Amerikaanse chemicus Ahmed Zewail in 1999 de Nobelprijs voor Scheikunde ontving. Zijn werk heeft aldus een duidelijke lijn naar meerdere Nobelprijzen.

8. Persoonlijk leven, karakter en Nederlandse wortels

Nico Bloembergen trouwde in 1948 met Huberta Deliana Brink, een Nederlandse vrouw die hij kende van voor zijn vertrek naar Amerika. Zij kregen drie kinderen en vestigden zich blijvend in de Verenigde Staten. Desondanks bleef Bloembergen zijn Nederlandse identiteit trouw: hij sprak het Nederlands zijn hele leven vloeiend, bezocht Nederland regelmatig en hield innige banden met de Nederlandse wetenschappelijke gemeenschap.

Collega's en studenten beschreven hem als intellectueel scherp maar ook warm en bescheiden. Hij was even graag bereikbaar voor een eerstejaarsstudent als voor een collega-Nobellaureaat. Zijn humor was droog en zijn communicatie altijd helder, of het nu een geleerde lezing of een gesprek in de koffiehoek betrof.

Bloembergen had ook oog voor de bredere maatschappelijke verantwoordelijkheid van de wetenschap. Hij nam deel aan wetenschappelijke adviescommissies over wapenbeheersing en pleitte consequent voor het vreedzame gebruik van lasertechnologie. Zijn inzet op dit terrein verdiende hem respect ver buiten de muren van de universiteit.

9. Onderscheidingen en erkenningen

Naast de Nobelprijs ontving Bloembergen talrijke nationale en internationale eerbewijzen:

• National Medal of Science, toegekend door president Gerald Ford (VS, 1974)
• Oliver E. Buckley Condensed Matter Prize – American Physical Society (1958)
• Morris E. Leeds Award – Institute of Electrical and Electronics Engineers (1974)
• President van de American Physical Society (1978)
• Lid van de National Academy of Sciences (VS)
• Foreign Member van de Koninklijke Nederlandse Academie van Wetenschappen (KNAW)
• Eredoctoraten van de Universiteit Utrecht, Laval University en andere instellingen
• Naar hem vernoemde leerstoel aan de Universiteit Utrecht (geopend 2010)

Het feit dat Bloembergen zowel lid was van de Amerikaanse als de Nederlandse wetenschappelijke academie illustreert zijn bijzondere positie als bruggenbouwer tussen twee landen en culturen.

10. Nalatenschap en overlijden

Nico Bloembergen overleed op 5 september 2017 in Tucson, Arizona, op de gezegende leeftijd van 97 jaar. Zijn overlijden werd wereldwijd herdacht. Wetenschappelijke tijdschriften, universiteiten en vakorganisaties spraken hun eerbetoon uit aan een man die de grenzen van menselijke kennis over licht en materie structureel had verlegd.

Zijn publicatielijst telt meer dan 300 wetenschappelijke artikelen. Zijn leerboek Nuclear Magnetic Relaxation (1948) en Nonlinear Optics (1965) worden nog dagelijks geciteerd. Dat laatste werk heeft alleen al meer dan 10.000 citaties verzameld en geldt als een klassieker in de moderne optische wetenschap.

Bloembergen is het levende bewijs dat fundamenteel wetenschappelijk onderzoek, gedreven door nieuwsgierigheid zonder direct nut voor ogen, uiteindelijk de samenleving diepgaand kan veranderen. De jongen die opgroeide in Dordrecht en zijn studie voortzette ondanks een verwoestende wereldoorlog, legde met zijn werk de basis voor technologieën die nu iedere dag miljoenen mensen van diagnose tot navigatie helpen.

Nico Bloembergen belichaamt de kracht van fundamentele wetenschap: zijn nieuwsgierigheid naar de aard van licht en materie leidde tot ontdekkingen waarvan de wereld nog altijd profiteert. Als Nobelprijswinnaar, docent en Nederlander in de wereld is hij een blijvende bron van inspiratie voor iedereen die gelooft dat kennis de mensheid vooruithelpt.