TWEEDE GENERATIE ATOOMLASERS MEET TIJD ONGEKEND NAUWKEURIG

Twee jaar nadat op MIT in Boston de eerste atoomlaser werd onthuld, hebben verschillende onderzoeksgroepen onlangs een aantal sterk verbeterde versies gepresenteerd (zie onder andere Science, 12 maart 1999). Daarmee hebben natuurkundigen nu een even grote controle over materie als ze al hadden over licht. Het wordt nu mogelijk om tijd en afstand met ongekende nauwkeurigheid te meten en wellicht kunnen straks ingewikkelde ruimtelijke structuren atoom voor atoom worden opgebouwd.

De basis van de atoomlaser wordt gevormd door een klompje atomen, dat tot vlak boven het absolute nulpunt is afgekoeld, een zogenaamd Bose-Einstein condensaat (BEC). Wanneer deze – met behulp van magneetvelden – voldoende dicht bij elkaar worden gehouden, ontstaat er bij een temperatuur van een paar miljoenste kelvin een toestand waarin ze allemaal precies hetzelfde gaan doen en zich als één groot atoom gedragen. In de eerste atoomlaser werden via een truc een paar atomen zo gemanipuleerd dat ze het magneetveld niet meer voelden en dus onder invloed van de zwaartekracht naar beneden zakten. Echt indrukwekkend was het nog niet. De atomen liepen weliswaar keurig in de pas, net als de fotonen in een gewone laser, maar verder had hij weinig weg van zijn optische tegenhanger. Bij een laser stel je je immers een gerichte straal voor, en de wolkjes atomen sukkelden uitsluitend recht naar beneden, en breidden zich ook nog eens vrij snel uit.

Amerikaanse en Japanse fysici gebruikten laserlicht om atomen uit een BEC te krijgen. Zoiets lukt niet met een enkele laser, want zodra een BEC licht absorbeert, warmt het op, en gaat de voor een atoomlaser noodzakelijke quantummechanische toestand verloren. Er werden dus twee, tegen elkaar in gerichte laserbundels gebruikt van verschillende golflengte. Zodra een atoom uit de ene bundel een foton heeft geabsorbeerd, wordt het door de andere bundel gedwongen een net iets ander foton af te staan. Het atoom krijgt daardoor een heel klein zetje, voldoende om het BEC te verlaten in een richting die bepaald wordt door de inkomende laserbundels. Hoewel de atoompulsjes netjes bij elkaar blijven, laat hun intensiteit nog wat te wensen over. Atomaire holografie, het opbouwen van driedimensionale objecten met behulp van atoombundels blijft dus voorlopig buiten bereik. Er zijn echter al wel ruim voldoende atomen om met een ongekende nauwkeurigheid tijds- en afstandsmetingen te gaan doen. Normaal gesproken gebeurt dat door golflengtes van licht te tellen, maar atoombundels hebben een veel kleinere golflengte. Het European Space Agency zou al interesse hebben getoond om met behulp van de atoomlaser gravitatiegolven te gaan meten, minuscule rimpelingen in de ruimte-tijd die het gevolg zijn van extreme kosmologische verschijnselen als botsende neutronensterren. (Rob van den Berg)