Koelen met licht; "Je kietelt één atoom en ze lachen allemaal'

Op 10 juli 1908 bevond het koudste plekje ter wereld zich in Nederland en wel om precies te zijn in het laboratorium van de Leidse fysicus Heike Kamerlingh Onnes. Hij was er die dag namelijk voor het eerst in geslaagd om helium vloeibaar te maken. En dat lukt pas bij een ijzingwekkende temperatuur van 269 ß8C onder nul (ofwel 4 Kelvin).

In de daarop volgende tijd werd het record nog wel een beetje scherper gesteld, want door de damp boven het vloeibare helium weg te pompen kan men nog een paar graden lager komen, maar toen was het ook afgelopen. Sindsdien is er door onderzoekers in laboratoria overal ter wereld op allerlei manieren getracht dichter bij het absolute nulpunt (273,15 ß8C onder nul) te komen. Echt bereiken zal niemand het ooit, dat is inmiddels theoretisch al lang en breed afgeleid. Vast staat echter wel dat er nog heel wat bijzonder interessante fysica te wachten ligt voor hen die het nulpunt benaderen. In het Van der Waals-Zeeman-laboratorium van de Universiteit van Amsterdam werken de Amsterdamse hoogleraar Jook Walraven en zijn groep al een aantal jaren aan de ontwikkeling van zeer vernuftige koeltechnieken. Zij streven er onder meer naar om een van die fysische fenomenen die bij lage temperatuur optreden, Bose-Einstein condensatie (BEC), in een gas van waterstofatomen te bewerkstelligen. Recent zijn door Walraven en zijn groep een aantal aardige vorderingen gemaakt, die Scientific American er zelfs toe brachten een artikeltje aan het Amsterdamse onderzoek te wijden.

Wat is dat nu precies, BEC? Wanneer atomen en moleculen worden afgekoeld, neemt hun snelheid af. In de uiteindelijk te bereiken toestand van (praktisch) absolute rust zou de materie unieke eigenschappen krijgen, waarbij allerlei exotische quantumeffecten een rol gaan spelen.

Golffunctie

Quantummechanisch worden atomen beschreven met behulp van een golffunctie, die aangeeft wat de kans is om een atoom binnen een bepaald gebied aan te treffen. Volgens de onzekerheidsrelatie van Heisenberg neemt deze kans af, naarmate de snelheid van de individuele atomen afneemt. Nu kan men afleiden dat bij een bepaalde temperatuur de atomen zo stil zitten, dat hun golffuncties moeten gaan overlappen en er spontaan een toestand ontstaat waarin de atomen zich samen als één groot atoom gaan gedragen. Sommige fysici hebben het ook wel over een identiteitscrisis van de materie: elk atoom doet exact hetzelfde op exact hetzelfde moment. BEC is dus een soort condensatie in gedrag. Quantummechanische effecten van individuele atomen die veel te klein zijn om macroscopisch gedetecteerd te kunnen worden, worden zo dus versterkt. Jom Luiten, promovendus bij Walraven en zeer nauw betrokken bij het BEC-onderzoek legt uit: ""Je kietelt er eentje, en ze lachen allemaal!''

Niet alle atomen zijn echter in staat deze toestand te bereiken. Dat hangt namelijk af van het feit of ze een heel- of halftallige spin bezitten. Spin is een abstracte en bijna mysterieuze quantummechanische grootheid, die in populair-wetenschappelijke boeken en artikelen vaak beschreven wordt als het rondtollen van een bolletje. Dat is echter niet juist, spin is klassiek eenvoudig niet te beschrijven en valt daarom in dezelfde categorie als "strangeness' en "isospin', weer andere door fysici bedachte grootheden om quantummechanische deeltjeseigenschappen te beschrijven. Alle deeltjes hebben óf een heeltallige spin, en worden dan bosonen genoemd, óf een halftallige spin, waarmee het fermionen zijn. Voor fermionen geldt het door de Oostenrijkse fysicus Pauli afgeleide principe dat zij nooit samen in exact dezelfde quantumtoestand kunnen zitten. Bosonen zijn gezelliger, die willen juist allemaal graag hetzelfde doen, en alleen zij kunnen dan ook bij voldoende afkoeling in de eerdergenoemde exotische toestand komen.

Het is overigens niet zo dat BEC nog nooit is bereikt. Wanneer helium (ook een boson) wordt afgekoeld tot iets meer dan twee graden boven het absolute nulpunt, treedt BEC op en wordt het superflude: het vloeit wrijvingsloos door dunne capillaire buisjes, klimt als een film over de rand van een potje en spuit onder bepaalde omstandigheden als een spectaculair gevormde fontein uit openingen. Ook het verschijnsel van supergeleiding, dat bij lage temperaturen onder andere optreedt in metalen, kan beschreven worden als een soort BEC. In dit geval zij het paren elektronen, de zogenaamde Cooper-paren, die collectief gedrag vertonen.

Omdat individuele elektronen fermionen zijn en alleen als paar een boson vormen, is het nodig dat steeds twee elektronen "condenseren'. Elke nieuwe vorm van dit soort collectief gedrag brengt dus spectaculaire fysische fenomenen met zich mee. Wat BEC van waterstofatomen uniek maakt is het feit dat de interactie tussen de waterstofatomen tot aan het absolute nulpunt uiterst gering is, zodat waterstof altijd een gas blijft. Bovendien is het het enige systeem waarvan men de BEC-toestand netjes, uitgaande van quantumtheoretische basisprincipes kan beschrijven, wat het dus ook tot een prachtig modelsysteem maakt. Superfluditeit in helium bijvoorbeeld is alleen maar fenomenologisch te beschrijven.

Heilige graal

Enkele groepen besteden daarom al vele jaren van wetenschappelijk onderzoek aan BEC van waterstof. Sommigen spreken in dit verband wel van de Heilige Graal van de lage temperatuurfysica, het soort experiment waar je een Nobelprijs voor krijgt. ""Dat is sterk overdreven'', vindt Walraven, ""Je kunt ons onderzoek niet simpel reduceren tot een race naar BEC. Er treden nog zoveel andere interessante fysische verschijnselen op bij dit soort lage temperaturen.''

Om waterstofatomen überhaupt te kunnen afkoelen tot zeer lage temperaturen, moet het gas worden opgesloten in een zogenaamde magnetische val. Deze wordt gevormd door een ingewikkeld stelsel van zes magneetspoelen. Waterstofatomen zelf zijn ook kleine magneetjes, waarvan magnetisch moment met een aangelegd uitwendig veld mee (spin-up) of er juist tegenin (spin-down) kan staan. De beide soorten vertonen in een uitwendig magneetveld een tegengesteld gedrag. Spin-ups zijn zogenaamde laagveldzoekers, terwijl spin-downs juist liever een maximaal magneetveld opzoeken. Door de magnetische val op de juiste wijze van stroom te voorzien en zo een minimaal magneetveld midden in de cryostaat te creëren, worden alle spin-ups gevangen. Alleen op deze manier kunnen interacties met de wanden van de cryostaat (de enorme thermosfles waarin alle experimenten plaatsvinden) worden vermeden. Eenmaal aan de wand gekleefd, komen de atomen namelijk niet meer los of reageren direct tot moleculair waterstof. Aangezien botsingen met de wanden niet helemaal te vermijden zijn, worden deze "bekleed' met een soort anti-aanbaklaagje van superflude helium. Dat zal immers steeds, zolang het althans koud genoeg blijft, spontaan tegen de wanden opklimmen. Het bedekken van de wanden met superflude helium, waarvan het effect voor het eerst door Silvera en Walraven in Amsterdam werd aangetoond, betekende aan het eind van de jaren zeventig een ware doorbraak die dit type onderzoek mogelijk heeft gemaakt.

Het echte koelen

Als eenmaal voldoende waterstofatomen zijn gevangen, kan pas met het echte koelen worden begonnen. Dat koelen gebeurt door verdamping. Watermoleculen in een kop hete koffie kunnen alleen uit de vloeistof ontsnappen wanneer ze voldoende energie bezitten. Deze wordt onttrokken aan de vloeistof, die daardoor afkoelt. Op precies dezelfde wijze zullen snelle waterstofatomen erin slagen uit de magnetische val te ontsnappen. Deze zijn relatief "warm', zodat hun ontsnapping warmte aan de achterblijvende atomen onttrekt, die daardoor gemiddeld kouder worden. Deze techniek, evaporative cooling, werd een aantal jaren geleden ontwikkeld aan het Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Boston, in de groep van een van de grootste concurrenten van Walraven, Daniel Kleppner.

Door de magnetische val steeds een beetje meer open te zetten, worden meer en meer atomen in staat gesteld om te ontsnappen, waardoor het achterblijvende waterstof alsmaar kouder wordt. Op deze manier bereikten de MIT-onderzoekers onlangs een temperatuur van 100 microKelvin. Walraven: ""Ze hebben echter een probleem. Want om het optreden van BEC te kunnen detecteren moet er licht de cryostaat in kunnen komen. En daar slagen ze nu al meer dan een jaar niet in, omdat hun vensters al heel snel ondoorzichtig worden!''

Walraven en zijn groep volgden de afgelopen vier jaar dan ook de omgekeerde weg. Allereerst werd ervoor gezorgd dat laserlicht naar binnen kon. Daarmee werd bovendien de mogelijkheid geschapen om alternatieve koeltechnieken te beproeven: optische koeling kwam binnen handbereik. Op dat gebied zijn de laatste paar jaren onder de bezielende impulsen van onder andere Steven Chu van de Universiteit van Stanford een aantal zeer vernuftige technieken voor atomen ontwikkeld. Door de frequentie en de intensiteit van het laserlicht juist te kiezen en door met een aantal laserbundels te werken, konden atomen bijna stilgezet worden en vervolgens zelf op allerlei manieren worden gemanipuleerd (Chu is bijvoorbeeld de "uitvinder' van de optische stroop). Een groot probleem bij atomair waterstof is dat het alleen licht absorbeert met een golflengte van 121.6 nm, in het zogenaamde Vacuum Ultra Violet (VUV) gebied. En daar waren tot nog toe geen lasers beschikbaar, zodat optisch koelen dan ook niet echt voor de hand lag. En dat is wellicht nog zwak uitgedrukt, wanneer je de hele laseropstelling in het laboratorium van Walraven bekijkt. Het licht van een rode (kleurstof)laser wordt eerst in frequentie verdubbeld, waardoor ultraviolet licht ontstaat, vervolgens versterkt en daarna verdriedubbeld in een gasmengsel.

Het is met recht een unieke opstelling, die een enorme tafel beslaat. Een extra complicatie bij dit alles is nog dat lenzen gemaakt van glas of kwarts het VUV-licht absorberen. Een van de weinige materialen die dat minder doet is magnesiumfluoride, en dat is geen echt standaardmateriaal voor optische lenzen.

Pingpongballetjes

Met het laserlicht wordt de zogenaamde Lyman-alpha-overgang van atomair waterstof aangeslagen. In de eerste afkoelingsstap wordt gebruik gemaakt van Doppler-koeling. Wanneer atomen een foton absorberen dat uit een tegengestelde richting komt en dat vervolgens weer in een willekeurige richting uitzenden, worden ze netto enigszins afgeremd. Het is alsof je een kanonskogel stopt met een regen van pingpongballetjes: herhaalde absorpties en emissies leiden uiteindelijk (voor waterstof) tot een gas met een temperatuur van 8 milliKelvin. Dit is overigens nog een tamelijk standaard techniek, zij het bij een als gezegd uitzonderlijke golflengt.

De tweede afkoelingsstap is wel degelijk uniek en wordt aangeduid met het acroniem LIE, Light-Induced Evaporation. Hierbij worden spin-ups door middel van absorptie van de juiste golflengte omgezet in spin-downs. Die ontsnappen uit de magnetische val en zorgen zo voor afkoeling door verdamping. Na deze stap is de temperatuur verder gedaald tot zo'n 3 milliKelvin. Dat is nog altijd meer dan een factor tien hoger dan die bereikt is in het MIT experiment, maar w aar Kleppner en zijn team nu hun optische problemen moeten oplossen, staat Walraven voor de taak om het gas verder te koelen.

Door de intensiteit en de focussering van de laserbundel te verbeteren moet het namelijk niet al te moeilijk zijn om veel lagere temperaturen te halen. Men is in elk geval zeer optimistisch: de eerstvolgende serie experimenten staat al voor over zo'n drie maanden gepland. Eén zo'n meetsessie kan overigens wel een aantal maanden in beslag nemen. Er wacht in elk geval een grote beloning voor wie als eerste BEC bereikt en de kans krijgt de buitengewone fysica daar te bestuderen. Daarnaast is er vanuit wellicht onverwachte hoek belangstelling getoond voor Walravens technieken voor het opsluiten en koelen van waterstofatomen. In het laboratorium van CERN in Genéve onderzoeken fysici namelijk de eigenschappen van anti-materie. Standaard kunnen immers al sinds vele jaren bundels antiprotonen en anti-electronen worden gemaakt en bestudeerd. Maar nog nooit is men er in geslaagd om een echt anti-atoom te maken. Hoewel er vooraf geen theoretische overwegingen zijn om aan te nemen dat het meest simpele "anti-atoom' anti-waterstof, h, zich anders zal gedragen dan een gewoon atoom, is er toch veel te zeggen voor uiterst nauwkeurige metingen. Elke afwijking, hoe gering ook, zal immers fundamentele consequenties hebben voor ons begrip van materie. Methoden zoals die nu in Amsterdam worden ontwikkeld zullen het mogelijk maken h te verzamelen en voor langere tijd op te slaan. Ook kunnen in een trap H en h met elkaar in contact gebracht worden, waarbij volledige annihilatie optreedt. CERN houdt in elk geval Walravens werk in de gaten en ook van andere zijden is er volop belangstelling. Zo zou het mogelijk moeten zijn om met afgekoelde waterstofatomen de nauwkeurigheid van atoomklokken op te voeren.

Walraven benadrukt keer op keer dat de successen die nu behaald zijn bezien moeten worden in het licht van een al veel langer durend onderzoek, waar al velen in binnen- en buitenland aan hebben bijgedragen. ""Eigenlijk bestaat "moderne natuurkunde' niet. Je bouwt altijd voort op het werk van vele voorgangers, en dat is natuurlijk ook de kracht van de natuurkunde. Einstein heeft bijvoorbeeld in 1917 al gewezen op de afremming van atomen in een stralingsveld!''

Beeld van de cryostaat zoals die in Amsterdam door Walraven en zijn groep is gebruikt voor de optische koelingsexperimenten. De totale hoogte ervan bedraagt ongeveer 2.5 meter. Het licht wordt van onderen de cryostaat ingeleid.

Detailopname van de onderkant van de cryostaat met een aantal optische componenten en de edelgascel waarin het VUV-licht wordt gegenereerd (midden van de foto).