NATRIUMATOMEN ZIJN SOCIAAL IN BOSE- EINSTEIN CONDENSAAT

De allerkleinste deeltjes waar materie uit is opgebouwd zijn te verdelen in twee groepen: bosonen en fermionen. Deze onderscheiden zich van elkaar in hun gedrag tegenover identieke soortgenoten. Waar bosonen zich in principe in exact dezelfde kwantumtoestand kunnen bevinden, zijn

fermionen kieskeuriger.

Zij verkiezen het gezelschap van niet meer dan één enkele buurman, die dan ook nog eens de andere kant op dient te draaien.

Zo gehoorzamen ze aan het zogenaamde Pauli-principe, en dat is maar goed

ook, want anders zou de materie spontaan onder zijn eigen gewicht instorten. Bosonen hebben weer andere voordelen. Omdat ze zo sociaal zijn hoef je er maar eentje iets te laten doen of ze doen allemaal mee. Dat wordt het duidelijkst aangetoond in de laser. Lichtdeeltjes (fotonen) zijn namelijk bosonen, zodat onder de juiste omstandigheden de

aanwezigheid van één enkel foton van de juiste golflengte een waterval van identieke fotonen kan veroorzaken.

Ook sommige atomen zijn bosonen en al jarenlang proberen natuurkundigen een atoomlaser te maken, waar in plaats van fotonen een bundel atomen uit komt, die allemaal precies dezelfde eigenschappen hebben en exact in

het gelid lopen. Atomen doen dat echter niet zomaar. Daarvoor moeten ze eerst sterk worden afgekoeld, waarbij ze ook nog eens dicht bij elkaar gehouden moeten worden. Met behulp van zo'n Bose-Einstein condensaat (BEC) werd vorig jaar voor het eerst een atoomlaser gerealiseerd in de groep van Wolfgang Ketterle van het Massachusetts Institute of Technology in Boston. Niet iedereen was daar echter helemaal overtuigd. Zo was het tot nog toe onmogelijk om het collectieve gedrag van de atomen bij de vorming van een BEC nauwkeurig in de tijd te volgen. Dat kwam omdat er zó langzaam werd afgekoeld dat de atomen als het ware aan de hand door de overgang werden meegenomen. Onlangs werd door dezelfde groep een truc verzonnen om te kijken hoe ze het op eigen kracht doen en hoe ze elkaar daarbij beïnvloeden (Science, 13 februari 1998). Daartoe werd een klompje natriumatomen afgekoeld tot vlak boven de BEC-overgangstemperatuur, waarna er heel snel nog wat extra warmte aan het systeem werd onttrokken. Vervolgens werd de atoomwolk aan zijn lot overgelaten en kon voor het eerst in beeld worden

gebracht hoe de natriumatomen elkaar 'stimuleren' tot identiek gedrag, de eerste noodzakelijke stappen voor het verkrijgen van een atoomlaserbundel. Uit de waarnemingen bleek dat condensatie in twee stappen plaatsvindt.

Eerst wordt een 'oververzadigde' wolk gevormd, waar vervolgens het BEC uit condenseert. Als de atomen daarin terecht willen komen moeten ze wel

eerst wat energie kwijt. Dat doen ze door te botsen met naburige atomen.

Uit een analyse van de beelden bleek inderdaad dat hoe groter het aantal

atomen is dat zich al in het condensaat bevindt, hoe liever andere atomen erbij willen komen.