GELADEN BERYLLIUM KRISTALLEN GEVANGEN IN EEN IONENVAL

De edelsteen opaal dankt zijn 'paarlemoeren glans' aan de aanwezigheid van geladen verontreinigingen die regelmatig gerangschikt zijn binnen een rooster van silicaten (zand). Juist omdat ze dezelfde lading hebben, proberen ze zo ver mogelijk van elkaar af te gaan zitten. Hun onderlinge afstand wordt zo vergelijkbaar met de golflengte van het zichtbare licht, en dus veel groter dan de afstand tussen atomen en moleculen in gewone kristallen. Daardoor treedt er diffractie op: afhankelijk van de hoek waaronder de steen wordt bekeken worden alleen bepaalde kleuren verstrooid.

Zo'n 'kristal' dat is opgebouwd uit geladen deeltjes kan alleen maar bestaan door de aanwezigheid van een geschikte matrix. Er wordt echter ook wel gespeculeerd dat ze gevormd worden onder de extreme omstandigheden die heersen aan het oppervlak van neutronensterren. Daar zouden ijzerkernen door de enorme zwaartekracht tegen hun wil op elkaar worden gedrukt. Onlangs slaagde een groep fysici van het National Institute of Standards in Boulder, Colorado er als eerste in om ook in het laboratorium een geladen kristal te produceren (Science, 30 januari).

Ze deden dat in een ionenval. Hierin kunnen geladen atomen gevangen worden gehouden door het aanleggen van elektrische en magnetische velden. Tot nu toe was het echter onmogelijk gebleken om de ionen dicht genoeg op elkaar te krijgen om een vaste toestand te bereiken. Theoretische beschouwingen hadden al uitgewezen dat kleine aantallen ionen - niet meer dan een paar duizend - druppeltjes zouden vormen, waarin de deeltjes in concentrische schillen gerangschikt zijn. Het vermoeden was echter dat als er maar genoeg bij elkaar zouden worden gebracht, er vanzelf een kristal zou ontstaan.

Zelfs supercomputers waren echter niet in staat om te berekenen wanneer dat precies zou gebeuren. Er zat dus niets anders op dan het uit te proberen. Daartoe werd een wolk van ongeveer een miljoen positief geladen beryllium-ionen gevangen en afgekoeld met behulp van een laser. Omdat hun snelheid daarbij sterk afnam, moesten ze wel dichter bij elkaar blijven en ontstond er inderdaad een soort kristal. Dat bleek toen dezelfde laserbundel - net als in een opaal - werd verstrooid, zodat informatie over de inwendige structuur kon worden verkregen.

Aanvankelijk werden alleen diffractieplaatjes opgenomen waarin de individuele reflecties waren uitgesmeerd tot ringen. Dat duidde erop dat er òf een heleboel kleine kristalletjes aanwezig waren òf dat de kristallen razendsnel stonden te tollen. De truc was nu gebruik te maken van een soort stroboscoop-effect. Door een detector steeds op precies het juiste moment naar het verstrooide licht te laten kijken, kon als het ware de indruk worden gewekt dat het bolletje stilstond. En inderdaad werd de kristalstructuur zichtbaar. Zo konden voor het eerst de eigenschappen van deze nieuwe toestand van de materie worden bestudeerd, bijvoorbeeld als functie van de aantallen samenstellende ionen en de sterkte en richting van het aangelegde magneetveld.