IJskoud in de val

Na atomen is het nu ook mogelijk moleculen praktisch stil te zetten. Een Nijmeegse onderzoeksgroep heeft de wereldprimeur. Exotische chemische reacties liggen in het verschiet.

`DE EERSTE lezing op de eerste internationale conferentie die ik bijwoonde was van Steven Chu. De Amerikaan sprak over het vangen van atomen. Ik had daar op dat moment nooit eerder iets over gehoord en was zeer gefascineerd. Sindsdien heb ik altijd in mijn achterhoofd gehouden dat ik ooit ook zoiets wilde doen. Dat is gelukt. Alleen zijn het bij mij geen atomen maar moleculen.'

Gerard Meijer is nog altijd vol van de gebeurtenissen die zich de afgelopen maanden in zijn laboratorium aan de Katholieke Universiteit van Nijmegen hebben afgespeeld. Op 19 mei slaagde zijn aio Rick Bethlem er als eerste in om (ammoniak)moleculen te vangen. Hij deed dat na ze te hebben afgeremd tot ze bijna stil stonden. Niet alleen werd daarmee overtuigend aangetoond dat de methode om dat voor elkaar te krijgen werkt, ook ligt er nu een heel nieuw onderzoeksgebied open. Zeker wanneer met behulp van een opslagring pakketjes koude moleculen tijdelijk kunnen worden bewaard. Hun eigenschappen en onderlinge wisselwerking kunnen dan veel nauwkeuriger dan tot nu toe mogelijk was worden bestudeerd. Verder wijzen berekeningen uit dat allerlei exotische chemische reacties mogelijk worden wanneer moleculen met lage snelheid tegen elkaar botsen (Nature, 3 augustus).

Op het FOM Instituut voor Plasmafysica Rijnhuizen in Nieuwegein, waar hij onlangs tot directeur werd benoemd, zit Meijer midden in de verhuizing. Zojuist heeft hij met de auto – ``die heeft een zachtere vering'' – een kostbare laser van Nijmegen naar Nieuwegein gereden. Het onderzoek staat dus even stil, maar Meijer popelt om weer te beginnen. ``Ik ben altijd jaloers geweest op mensen die dit soort experimenten met atomen deden, vreselijk leuke fysica. Maar atomen kun je veel makkelijker dan moleculen afremmen, namelijk met licht. Wanneer een natriumatoom een oranjegeel lichtdeeltje uit een laser absorbeert en weer afstaat, neemt zijn snelheid met twee centimeter per seconde af. Aangezien atomen – en ook moleculen – met snelheden van vele honderden meters per seconde door de ruimte vliegen, moet dat duizenden keren worden herhaald.''

In het geval van atomen is dat geen enkel probleem. Maar moleculen kunnen op allerlei manieren trillen en draaien, zodat ze na een lichtdeeltje te hebben geabsorbeerd niet altijd naar hun uitgangstoestand terugkeren. ``En dan ben je ze kwijt'', zegt Meijer.

rond een draad

Het moest dus anders. Meijer had daar een paar jaar geleden wat vage ideeën over toen hij samen met Rienk Jongma – inmiddels als projectleider in Rijnhuizen bij het onderzoek betrokken – een methode publiceerde om moleculen te vangen rond een draad. ``In een bijzin schreven we toen'', zegt Meijer, ``dat je ze daarvoor natuurlijk eerst moest afremmen met behulp van elektrische velden. Een onbekende referee meende dat zoiets fundamenteel onmogelijk was. Dat was precies de uitdaging die we nodig hadden.''

De traditionele manier om moleculen af te koelen maakt gebruik van een bundel. Als een gas onder hoge druk plotseling vanuit een kleine opening in staat wordt gesteld te expanderen, zal de temperatuur – en daarmee de gemiddelde snelheid van de moleculen – dalen. Precies hetzelfde gebeurt als je een brandblusser met koolzuurgas opent: het koolzuurgas koelt zo sterk af dat het vast wordt. Meijer: ``Een ander belangrijk voordeel van zo'n bundel moleculen is zijn hoge dichtheid. Alle moleculen komen bovendien met bijna dezelfde snelheid naar buiten. In Nijmegen hebben we veel ervaring opgedaan met zulke bundels. Het probleem is alleen dat de moleculen bij aanvang te hard gaan. Om hun snelheid te beknotten gebruiken we het edelgas xenon. De ammoniakmoleculen vliegen de veel talrijker en zwaardere xenonatomen achterop en worden zo afgeremd.''

Desondanks hadden de ammoniakmoleculen in de bundel nog altijd een snelheid van bijna driehonderd meter per seconde: stilstand is anders. Koeling met licht was bij moleculen geen optie. Maar gelukkig hebben veel moleculen een dipool. Hoewel ze als geheel neutraal zijn, is de ene kant van het molecuul een beetje positief geladen, en de andere kant negatief. De aanwezigheid van zo'n dipool maakt dat zulke moleculen gevoelig zijn voor een elektrisch veld.

Precies dat effect wilden Meijer en zijn collega's benutten. Hij tekent wat er gebeurt als een klompje moleculen een inhomogeen elektrisch veld binnenvliegt. Meijer: ``Eerst neemt hun interne energie toe door het sterker wordende veld. Dit gaat ten koste van hun snelheid, energie kan niet uit niets ontstaan. Als het veld aan zou blijven staan, en de moleculen vliegen er weer uit, gebeurt het omgekeerde. Maar dat laten we niet toe. Vlak voor de moleculen het centrum bereiken schakelen we het elektrische veld uit.'' Door deze procedure 63 keer te herhalen, zakt de snelheid van de moleculen tot zo'n 13 meter per seconde.

Helemaal nieuw is het idee achter deze methode niet. Meijer vertelt dat hij in de jaren zestig – overigens zonder succes – aan de universiteit van Chicago is toegepast om moleculen te versnellen. ``In een wetenschappelijk tijdschrift is daar nooit iets over gepubliceerd, alleen in een Scientific American uit 1968 staat hij beschreven. Alleen moesten ze toen nog beginnen. De werking van onze afremmer is vergelijkbaar met die van een versneller. Elke truc die voor een versneller is ontwikkeld kunnen wij ook toepassen.''

Om de ammoniakmoleculen die uit de afremmer komen sukkelen te vangen dient opnieuw een elektrisch veld. Terwijl de moleculen er `tegen op klimmen' raken ze hun laatste restje bewegingsenergie kwijt, om midden in de val tot stilstand te komen. Om te voorkomen dat ze weglekken worden ze aan alle kanten ingesloten door elektrische velden. In een kubieke centimeter zitten aldus een miljoen moleculen op een kluitje. Uit simulaties van het experiment blijkt dat de temperatuur er 50 millikelvin bedraagt. Meijer: ``Het vacuüm in onze opstelling is lang niet volmaakt. Daarom botsen de gevangen ammoniakmoleculen met andere gasmoleculen, waardoor ze uit de val worden geslingerd. Binnen enkele tienden van een seconde is hij leeg.''

hogere veldsterktes

De aanschaf van een krachtiger pomp zal dat probleem verhelpen. Verder wordt op het FOM-instituut in Nieuwegein sinds januari gewerkt aan een afremmer met honderd tussenstappen die hogere elektrische veldsterktes aankan. Zo kunnen meer ammoniakmoleculen in de bundel meereizen. Ten slotte is ook het invangen van de moleculen voor verbetering vatbaar. Per puls moeten zo duizend keer zoveel moleculen zijn op te sluiten.

Die toename in dichtheid is noodzakelijk om interacties tussen trage moleculen te kunnen meten. De hoop in Nieuwegein is dat collectieve quantumeffecten in zicht komen, vergelijkbaar met de Bose-Einstein condensatie zoals die een paar jaar geleden voor atomen is gerealiseerd. Daarvoor zal de temperatuur verder omlaag moeten. Grote vraag is of de methode die bij atomen met succes gebruikt wordt – snellere moleculen selectief laten ontsnappen – ook bij moleculen werkt. Maar zelfs als dat niet het geval wachten er volop interessante nieuwe verschijnselen. Meijer: ``We bezitten een grote voorsprong op de rest van de wereld. Allerlei moleculen zijn met onze vertrager af te remmen en met de opslagring gaan we straks verschillende pakketjes koude moleculen opsluiten. Zo kunnen we chemische reacties tussen praktisch stilstaande moleculen bestuderen. Theoretici voorspellen dat die zeer subtiel verlopen.''

    • Rob van den Berg