QUANTUMVERDAMPING BEWIJST BOSE-EINSTEIN CONDENSAAT IN HELIUM

Zestig jaar na de ontdekking van supervloeibaar helium, door Peter Kapitza in Moskou, is de theoretische 'zekerheid' dat het hier een geval van Bose-Einstein condensatie betreft eindelijk experimenteel onderbouwd (Nature, 1 januari). De Britse fysicus Adrian Wyatt slaagde niet via een nieuwe proef, maar door zeven jaar oude metingen van zijn hand nog eens onder de loep te nemen.

Superfluïde helium ontstaat als de vloeistof tot beneden 2,17 kelvin (het absolute nulpunt is 0 kelvin = -273 °C) wordt afgekoeld. In die toestand verdwijnt de interne wrijving en kruipt de vloeistof ongehinderd door de kleinste gaatjes. Al een paar weken na de ontdekking van Kapitza kwam de Britse theoreticus Frits London met de suggestie dat het om Bose-Einstein condensatie (BEC) ging, waarbij een deel van de vloeistof in de superfluïde toestand zat en de rest in de normale. Later volgde de theorie dat bij BEC de atomen groepsgedrag vertonen en met zijn allen in dezelfde quantumtoestand zitten.

Nu is het theoretisch beredeneren van het bestaan van BEC in superfluïde helium één ding, ondanks de keiharde argumenten is de zaak pas rond als er ook een experimentele verificatie op tafel ligt. Voor natriumdamp bij lage dichtheid is BEC in 1995 in Amerikaanse experimenten met magnetische vallen en lasers ondubbelzinnig aangetoond. Een verdampingsexperiment uit 1990 blijkt bij nadere beschouwing de BEC ook in superfluïde helium aan het licht te hebben gebracht.

In dat experiment richtte Wyatt door de heliumvloeistof heen een nauwe bundel fononen onder een hoek van 25° schuin op de vloeistofspiegel. Fononen zijn porties trillingsenergie, in dit geval van precies dezelfde grootte, die zich als geluid door de vloeistof voortplanten. Bij botsing van een fonon op een heliumatoom wordt alle energie overgedragen en kan de laatste uit de vloeistof ontsnappen: quantumverdamping. Het is te vergelijken met het foto-elektrisch effect: porties lichtenergie (fotonen) slaan in een fotobuis (bijvoorbeeld in een ouderwetse lichtmeter) elektronen los uit een metaal met als gevolg een elektrische stroom.

Ook bij quantumbotsingen geldt de wet van behoud van impuls (massa x snelheid voor en na de botsing zijn even groot). Uit de Britse metingen bleek dat de impuls (in de richting evenwijdig aan het oppervlak) van de invallende fononen precies even groot was als die van de uittredende heliumatomen. Dus moet de impuls - en daarmee ook de snelheid - van het helium aan de grenslaag van de vloeistof nul zijn geweest. Dit is een rechtstreeks bewijs dat de heliumatomen een Bose-Einstein condensaat vormden. Berekeningen wijzen uit dat de BEC-fractie aan het heliumoppervlak 100 procent is, in de vloeistof is die maximaal 9 procent.

Doorslaggevend voor het welslagen van het experiment was het opwekken van de de juiste fononen, alle langlevend en met dezelfde (hoge) energie. Een mogelijke toepassing van deze techniek van quantumverdamping zou een helium atoomlaser kunnen zijn: de uit de vloeistof gestoten heliumatomen hebben alle dezelfde energie en lopen 'in de maat', net als de fotonen uit een laser met licht.