KOUD BOSE EINSTEIN CONDENSAAT IN LICHTVAL GEVANGEN

Aan het Massachusetts Institute of Technology heeft een groep fysici onder leiding van Wolfgang Ketterle een nieuwe experimentele techniek ontwikkeld om de wisselwerkingen in Bose Einstein-condensaten (BEC's) te manipuleren. Bijzonder is dat het condensaat wordt opgesloten in een lichtval (Science, 12 maart).

In een Bose Einstein-condensaat zitten de moleculen van een gas, in dit geval natrium, als gevolg van ultrakoude met zijn allen in dezelfde quantumtoestand. In 1995 werd het in Boulder (Colorado) voor het eerst in het laboratorium gemaakt. Nadat de atomen in een magnetische val waren opgesloten mochten de snelsten ontsnappen, met als gevolg dat de temperatuur nog verder daalde tot enkele miljoensten graden boven het absolute nulpunt (-273 °C). Afgelopen jaar nog ging de Nobelprijs voor de Natuurkunde naar de ontwerpers van dit type koeling.

In een gasvormig Bose Einstein-condensaat is de interactie tussen de atomen zo zwak dat de verschijnselen zich vanuit de natuurkundige basiswetten (first principles) laten afleiden. Wat Ketterle c.s. hier aan hebben toegevoegd is de mogelijkheid de sterkte van de interacties via een uitwendig magnetisch veld te reguleren. Dit zwakke, homogene magnetische veld vervormt de elektronenwolk om de atoomkern in geringe mate. Niettemin is het effect diepgaand, zelfs kon een aantrekkende kracht worden omgezet in een afstotende. Deze mogelijkheid tot fijnregeling werpt nieuw licht op de manier waarop de atomen bij ultrakoude botsen en reageren.

Voorwaarde voor manipulatie was wel dat de magnetische val, die uit een sterk inhomogeen veld bestaat, zou worden vervangen door een optisch exemplaar. De grote prestatie van Ketterle is dat hij inderdaad het natrium-BEC in zo'n lichtval wist op te sluiten. De constructie van het vereiste nauwkeurig regelbare infrarood laserveld is een experimenteel hoogstandje. De truc is het condensaat in een magneetveld tot onder een miljoenste graad van het absolute nulpunt af te koelen en het vervolgens over te plaatsen naar de lichtval. Bij die temperaturen is de snelheid van de atomen zo laag dat lichtbundels van bescheiden vermogen ze in toom weten te houden.

Een van de mogelijkheden die het tunen van de interacties biedt is het maken van gerichte materiegolven door natriumatomen op gecontroleerde wijze uit het condensaat te laten ontsnappen. Die golven lopen net als bij een laser netjes in de maat. In een commentaar op het artikel van Ketterle noemt Science klokken, interferometers en lithografie als mogelijke toepassingen van deze materielasers.