Interferometrie met materiegolven van atomen

Volgens de quantummechanica heeft materie een dualistisch karakter: in sommige situaties gedraagt ze zich als deeltjes, in andere als golven. Naast de gewone lichtmicroscoop is er daarom de elektronenmicroscoop. Die biedt fijnere details omdat de golflengte van de gebruikte elektronen zeer veel korter is dan die van zichtbaar licht.

Vier jaar geleden kwamen onderzoekers van het MIT (Massachusetts Institute of Technology) met een atoom-interferometer. Die werkt met materiegolven van individuele atomen, in twee componenten gesplitst en opnieuw verenigd, aanleiding gevend tot interferentiepatronen. Kort geleden is bovendien bereikt dat één component van zo'n atoomgolf - en daarmee het interferentiepatroon - kan worden beïnvloed, bijvoorbeeld door hem een ijl gas te laten doorlopen of een elektrisch veld. Zo kunnen fysische eigenschappen van het atoom met ongekend grote preciesie worden waargenomen en is het bijvoorbeeld mogelijk de brekingsindex van natriumgolven in gassen te bepalen, van belang voor een beter begrip van chemische reacties.

Het idee achter de interferometer is al meer dan een eeuw oud. Bij het samenvoegen van twee bundelcomponenten kunnen lichtgolven, al naar gelang verschillen in fase, elkaar versterken of uitdoven. Dit interferentiepatroon verandert zodra een van de componenten wordt gemanipuleerd. Via interferometrie zijn brekingsindices van licht zeer nauwkeurig te bepalen. Voor de brekingsindex van materiegolven in een gas ligt dat niet anders, zij het dat de kleinere schaal de techniek bemoeilijkt.

Na elektron- en neutron-interferometers is het David Pritchard en zijn groep nu ook gelukt atoom-interferometers te bouwen. Die vereisen een tralie waarvan de 'spijlen' niet meer dan een paar honder nanometer (een nanometer is een miljoenste millimeter) uit elkaar staan. Passerende materiegolven worden door zo'n tralie in afgetekende bundels gesplitst. De MIT-fysici gebruikten van dit spectrum de nulde orde en één van beide eerste ordes. Probleem is dat de verhouding tussen golflengte en traliewijdte 1 op 10.000 is, met als gevolg dat de bundels nauwelijks ten opzichte van elkaar divergeren. Door nu een vier keer zo nauwe tralie te gebruiken, is het de Amerikaanse onderzoekers alsnog gelukt tussen de twee componenten van de materiegolf een 10 cm lang en 0,01 mm dik blaadje metaalfolie te plaatsen.

Vorige maand is de opstelling op het MIT gebruikt om de elektrische polarisatie van natriumatomen te meten. Dat is een constante die beschrijft hoe de elektronen van een atoom op een uitwendig elektrische veld reageren. Aan de waarde voor natrium is nu een decimaal toegevoegd, wat atoomfysici de mogelijkheid biedt hun theorieën experimenteel te toetsen. Andere mogelijke toepassingen van atoominterferometers zijn het meten van lokale variaties in de zwaartekracht, van belang in de geofysica, en het waarnemen van zeer kleine veranderingen in de rotatie van een gyroscoop. (Nature, 26 mei)