IJskoud in de maat; Amerikaanse natuurkundigen komen met de eerste werkende atoomlaser

Wanneer atomen zeer sterk worden afgekoeld, treedt Bose-Einstein-condensatie op. Uitgaande van deze exotische toestand, die zich kenmerkt door groepsgedrag, is voor het eerst een atoomlaser gemaakt.

IN DE ZOMER van 1995 werden in de Amerikaanse staat Colorado de koudste atomen in het heelal waargenomen. Naar deze week officieel bekend is geworden, is met soortgelijke atomen de eerste atoomlaser gerealiseerd. Ditmaal niet in Colorado, de twee onderzoeksgroepen daar zijn afgetroefd door natuurkundigen uit Boston. Op 16 november vorig jaar werden in het laboratorium van prof.dr. Wolfgang Ketterle aan het Massachusetts Institute of Technology (MIT) laserwerking van atomen aangetoond. Zelden heeft de natuurkunde een zo spannende race te zien gegeven met zulke prachtige resultaten. Hoewel de atoomlaser nog op veel punten voor verbetering vatbaar is, laat het nu uitgevoerde experiment zien dat het mogelijk is de materie op onnavolgbare manier op atomaire schaal te manipuleren.

Het begon allemaal al in 1924 met Albert Einstein. In dat jaar ontvangt deze beroemdste fysicus aller tijden een brief van de jonge, Indiase onderzoeker Satyendranath Bose. Deze vraagt hem eens naar een bijgevoegd artikel te kijken en te kijken of het goed genoeg is voor plaatsing in het Zeitschrift für Physik. Einstein is zeer onder de indruk, omdat Bose op een hoogst originele wijze een afleiding geeft van een van de basisvergelijkingen van de quantummechanica, de stralingswet van Planck. Hij besluit het artikel zélf in het Duits te vertalen.

Een jaar later bouwt hij erop voort. Zijn bespiegelingen leiden tot een verrassende uitkomst. In een brief aan Ehrenfest, in Leiden de opvolger van Lorentz, formuleerde hij het zo: “Vanaf een bepaalde temperatuur 'condenseren' de atomen [van een gas] zonder dat er een aantrekkende kracht in het spel is, dat wil zeggen ze hopen zich op bij een snelheid van 0 m/s.” Zonder dat hij het kon weten was hij diep doorgedrongen in de later door hem zo verfoeide quantummechanica en beschreef hij een verschijnsel - Bose-Einstein-condensatie (BEC) - dat natuurkundigen vele jaren zou bezighouden. Voor Einstein lag dat anders: een jaar later zou hij zijn werk met Bose 'bijzaak' noemen.

Bose-Einstein-condensatie treedt op wanneer atomen zeer sterk worden afgekoeld. Zo zijn de superfluïditeit van helium en de supergeleiding in vaste stoffen als een vorm van BEC te beschouwen. Maar de atomen van een gas écht helemaal stilzetten, dat bleek toch ingewikkelder te zijn. In de laatste tien jaar werden voor dat doel voornamelijk lasers ingeschakeld. Door atomen met licht van de juiste golflengte te bestralen, is het mogelijk ze af te remmen: alsof je een kanonskogel stopt met een regen van pingpongballetjes. Alleen met licht lukt het echter niet, je moet de atomen ook dicht genoeg bij elkaar houden. Dat lukt met behulp van een magneetveld. De eerst met laserlicht 'voorgekoelde' atomen worden in een magnetische val opgesloten, waaruit de snelste (en dus meest energetische) kunnen ontsnappen. Hierdoor daalt de temperatuur van de achterblijvers: de energie om weg te komen wordt onttrokken aan de 'vloeistof' die achterblijft, zoals een kop thee afkoelt omdat de heetste en snelste watermoleculen er vandoor gaan. Nog veel belangrijker is dat de dichtheid daardoor toeneemt en de onderlinge afstand tussen de atomen dus kleiner wordt.

Dat is precies wat de onderzoekers in Colorado voor elkaar wisten te krijgen, bij een ijzingwekkende temperatuur van 100 nanokelvin (een nanokelvin is een miljardste graad boven het absolute nulpunt) vertoonden atomen van het element rubidium in de zomer van 1995 voor het eerst Bose-Einsteingedrag. De Nederlandse natuurkundige Klaasjan van Druten, tegenwoordig werkzaam aan de Rijksuniversiteit Leiden, heeft het allemaal van nabij meegemaakt. Hij was toen voor een jaar onderzoeker bij een concurrerende groep geleid door Wolfgang Ketterle op MIT. Van Druten: “Het was allemaal ongelofelijk spannend. We wisten dat we er dichtbij zaten, maar dat gold ook voor de Colorado-groep. Elke week dat we 't niet zagen, was toch pijnlijk. Vooral omdat we zeven weken lang problemen hebben gehad met het vacuüm in de opstelling. Studenten wilden zelfs niet naar conferenties om maar door te kunnen werken.”

KLAP

De klap niet de eerste te zijn kwam hard aan, al werd BEC een paar maanden later alsnog bereikt, in natrium. Maar de groep was toen pas echt op stoom. Binnen een paar maanden werd een volledig nieuwe, veel betere magnetische val ontwikkeld, voor Van Druten het hoogtepunt van zijn verblijf in de Verenigde Staten. Met deze klaverblad-val konden veel meer atomen (zo'n vijf miljoen) binnen veel kortere tijd (zo'n dertig seconden) tot BEC worden gedwongen. En dat was belangrijk omdat er alweer driftig werd gespeculeerd over een volgend hoogtepunt: de atoomlaser.

Eerst werd de nieuwe vorm van materie goed onderzocht. Van Druten: “Er is wel gesuggereerd dat voor relatief weinig geld iedereen in staat is om Bose-Einstein-condensatie te bereiken. Maar dat valt tegen. Wat vergeten wordt is dat jarenlang ervaring is opgedaan met de nu gebruikte technieken. Zelfs nu al anderhalf jaar lang precies bekend is hoe het moet, is het nog maar in drie laboratoria echt gelukt.”

Met de nieuwe techniek kon het condensaat in Boston voor het eerst direct worden waargenomen: het 150 micron lange and 8 micron dikke 'superatoom' (een micron is een miljoenste millimeter) bleek zich als een lens te gedragen en verstrooide het licht alleen in bepaalde richtingen. Omdat het laserlicht dat voor het afbeelden wordt gebruikt niet wordt geabsorbeerd, wordt nauwelijks extra warmte toegevoerd, waardoor het mogelijk wordt meer opnamen achter elkaar te maken. Dat leverde spectaculaire plaatjes op die tevens inzicht verschaften over het stroomgedrag van het condensaat. Het kon zelfs in trilling gebracht worden door de vorm van het magneetveld van de val korte tijd een beetje te veranderen: het condensaat werd zo als een klok aangeslagen. Met name de lage trillingsfrequenties bleken prachtig met de theorie overeen te komen.

Inmiddels hadden ook de onderzoekers in Colorado een soortgelijke magneetval gebouwd waarmee men erin slaagde atomen in twee verschillende toestanden tegelijkertijd tot BEC te brengen. In één van die twee toestanden waren de atomen beter in staat te ontsnappen en koelden 'zichzelf' daardoor effectiever af. Aangezien alle atomen voortdurend tegen elkaar botsen, wordt de andere groep atomen ook afgekoeld. Deze methode opent de mogelijkheid ook zeldzame atoomsoorten (isotopen) tot BEC te brengen (Physical Review Letters, 27 januari 1997).

SUPERATOOM

Maar hoe knap al deze experimenten ook waren, toch keek de natuurkundige wereld uit naar één ding: een bundel atomen die allemaal precies dezelfde eigenschappen hebben. Het leek immers zo'n kleine stap. In het condensaat vormen de atomen in feite al één enkel 'superatoom'. Je hoefde er dus alleen nog maar voor te zorgen dat op gezette tijden een kluitje atomen eruit werd geduwd. Dat lukte het eerst op MIT door gebruik te maken van een slimme truc. De atomen zitten in de magnetische val gevangen, omdat het zelf ook magneetjes zijn. Ze kunnen óf met het magneetveld van de val mee staan (spin-up) óf er juist tegenin (spin-down). De magnetische val houdt alleen de spin-ups tegen, de anderen zijn er al vandoor. Het is echter mogelijk met behulp van een korte radiopuls een gedeelte van de spins te laten omklappen. Die komen zo loodrecht op het uitwendige veld te staan, voelen daar niets meer van en lopen langzaam de val uit (Physical Review Letters, 27 januari 1997). Met de atoomlaser kunnen op deze manier acht 'schoten' worden geleverd. Daarna moet de val weer worden gevuld.

Toch was men er ook toen nog niet helemaal. In een laser lopen de lichtgolven (of lichtdeeltjes, volgens de quantummechanica is dat hetzelfde) precies in de pas: laserlicht is coherent. Dat leidt ertoe dat waar twee laserbundels elkaar overlappen, interferentie optreedt. Er ontstaat een lijnenpatroon van afwisselend lichte en donkere strepen, omdat de golven elkaar op sommige plaatsen versterken en op andere verzwakken.

Dat moest ook kunnen met een atoomlaser. Eerst werd een Bose-Einstein-condensaat met een 'gewone', blauwe laser in twee stukken gesneden. Vervolgens werd de magnetische val uitgezet. De atomen kunnen zich nu vrijelijk van elkaar af bewegen waardoor de twee condensaten langzaam uitdijen, zelfs zoveel dat ze elkaar gaan overlappen. Precies in dat overgangsgebied werd het atomaire interferentiepatroon waargenomen (Science, 31 januari 1997). De afstand tussen de lijnen bleek goed met de theorie overeen te komen. Voor het eerst is aldus laserwerking van atomen in beeld gebracht. Daarnaast kon worden vastgesteld dat de temperatuur van de atomen - een onder deze omstandigheden overigens lastig te definiëren begrip - een recordlaagte had bereikt: minder dan een miljardste kelvin.

Hoe nu verder? Eerst moet de atoomlaser worden geoptimaliseerd. Helemaal mooi zou het zijn als een continue atomaire laserbron zou kunnen worden verkregen in plaats van de pulsjes van nu. In een begeleidend commentaar in Science wijst Ketterle er zelf op dat het zeer onwaarschijnlijk is dat de atoomlaser ooit zal leiden tot verbeterde supermarkt-scanners of CD-spelers: het Bose-Einstein-condensaat kan alleen bestaan in een ultrahoog vacuüm. De atoomlaser creëert echter wel ongekende mogelijkheden voor de manipulatie van materie op atomaire schaal. Zo zouden atoomlasers heel goed ingeschakeld kunnen worden bij de fabricage van nog weer fijnere structuren op computerchips. Met een dunne atomaire laserbundel zou atoom voor atoom een oppervlak zijn te 'beschrijven'. De atoomlaser zou ook kunnen worden toegepast in uiterst nauwkeurige detectoren voor magneetvelden en zwaartekrachtsvelden, of in atoomklokken. Wie had begin jaren zestig kunnen voorspellen dat met de toen juist uitgevonden laser nog eens muziek zou worden gemaakt, of prijzen zouden worden afgelezen?

Wie de (film)beelden van de atoomlaser wil bekijken kan terecht op de homepage van de MIT-groep: http://bink.mit.edu/dallin/news.html

Bose-Einstein-condensatie

Volgens de quantummechanica, de natuurkundige theorie die het gedrag van de materie op kleine schaal beschrijft, heeft elk deeltje een zogenoemde spin, een eigenschap die wel eens wordt voorgesteld als 'tollen'. Nu zijn er twee mogelijkheden: óf een deeltje heeft een heeltallige, óf een halftallige spin. In het eerste geval spreken we van bosonen, in het laatste van fermionen. Voor fermionen geldt het door de Oostenrijkse fysicus Pauli afgeleide principe dat zij nooit samen in dezelfde quantumtoestand kunnen zitten. Bosonen zijn 'socialer', die willen juist wél allemaal graag hetzelfde doen.Alleen bosonen kunnen dus in de door Einstein beschreven toestand terecht komen. Er vinden dan opeens exotische taferelen plaats. Hoe kouder een atoom, hoe meer het zich als een golf gaat gedragen. Het spreidt zich daarbij uit en kan tot een paar micron groot worden, zo'n tienduizend keer groter dan normaal. In zo'n situatie gaan naburige atomen elkaar onherroepelijk overlappen, waarbij ze hun identiteit verliezen. Elk atoom doet in dat geval exact hetzelfde, op exact hetzelfde moment, en samen gedragen ze zich als één superatoom.Het klinkt prachtig, maar gebeurt het ook werkelijk? In dezelfde brief aan Ehrenfest als waarin hij hem over de condensatie inlichtte, bleek zelfs Einstein niet geheel zeker van zijn zaak: “De theorie is erg mooi, maar is die ook juist?” Die vraag kan inmiddels met een volmondig 'ja' worden beantwoord.