Knikkers in een magnetische val

Bij het Zeeman-effect gaat het erom dat de energie van een atoom afhangt van het magnetische veld waarin het zich bevindt. Dit principe is door prof.dr. Jook Walraven van de Universiteit van Amsterdam toegepast om een magnetische val te maken waarmee magnetische gassen, in het bijzonder atomaire waterstof, bij ultralage temperaturen zijn bestudeerd.

Sinds 1987 lag Walraven met zo'n val in de race om als eerste in een gas Bose Einstein condensatie waar te nemen, een exotisch verschijnsel dat de onderzoeker een unieke blik biedt op de wereld van het absolute nulpunt, omdat in die situatie het gas schift in een component die de temperatuureffecten voor zijn rekening neemt en een component waarbij het gas zich gedraagt alsof de temperatuur nul kelvin is. Maar problemen met de detectie zetten de Amsterdammers op achterstand en een nieuwe groep uit Boulder (Colorado) ging vorig jaar juni met de eer strijken.

Een magnetische val, waarbij de atomen wandvrij worden opgesloten, begint met het creëren van een inhomogeen magneetveld. Walraven: “Je maakt een configuratie met in het midden een minimum veld, dat naar buiten toe in sterkte oploopt. Vergelijk het met een putje waarin je een knikker rolt. Maar er is een probleem: de wet van behoud van energie zegt dat als je die knikker een zetje geeft, hij er aan de andere kant van het putje net zo hard uitrolt.”

In 1985 zijn voor het eerst neutrale atomen in een magnetische val opgesloten. Eerst werden ze met een zogeheten Zeeman-slower praktisch stilgezet, waarna er snel een spoeltje werd aangesloten dat rond het wolkje atomen een magnetisch veld aanlegde. Van continu vullen van de val was geen sprake. Dat lukte wel met atomaire waterstof dat in een ultrakoude (cryogene) omgeving was gepolariseerd, wat betekent dat de magnetische assen van de atomen door een magneet parallel zijn gezet. Walraven: “In 1987 en '88 zijn collega's van het MIT en wij erin geslaagd atomaire waterstof op te sluiten. De truc was dat we de cryogene omgeving in thermisch evenwicht lieten komen met een gas in een magneetveld, een totaal andere methode dan voorheen. Normaal gesproken condenseert een gas bij koude op de wanden, maar bij atomaire waterstof kun je de magnetische put zo diep maken dat de atomen zich liever daar ophopen.”

Bij een magneto-optische val wordt in aanwezigheid van het magneetveld een 'optische stroop' aangelegd. Als een atoom aan de rand van de put een zetje krijgt, duikt hij in de stroop, wordt afgeremd in het lichtveld en komt er aan de andere kant niet meer uit. Zitten alkali-atomen als rubidium, lithium en natrium eenmaal in de val, dan kun je het licht uitzetten en is verdere koeling, net als bij waterstof, mogelijk via een proces van afdampen. Walraven: “Je laat de snelste deeltjes ontsnappen, zodat het snelheidsgemiddelde van de achterblijvers daalt, en daarmee de temperatuur. Als je het handig aanpakt, neemt de dichtheid in korte tijd sterk toe. De groep in Boulder heeft onze afdamptechniek met succes toegepast. Doorslaggevend was dat ze voor rubidium kozen, waarbij het afdampen beter verloopt.”

Walraven, die binnenkort de Universiteit van Amsterdam verlaat om directeur te worden van het instituut voor atoom- en molecuulfysica AMOLF, zit niet bij de pakken neer. “De wereld houdt niet op bij Bose Einstein condensatie.”