IJskoud superatoom

Vlak boven het absolute nulpunt verliezen atomen in een gaswolk hun individualiteit en worden één `superatoom'. Over zo'n Bose-Einstein condensaat sprak fysicus Carl Wieman afgelopen dinsdag in zijn nwo/Huygenslezing. `Je moet de atomen met verfijnde zachtheid behandelen.'

Omdat ik bij al mijn onderzoek laserlicht gebruik is het mij een bijzondere eer om de Huygens-lezing te mogen geven. Huygens was immers verantwoordelijk voor veel van wat wij van licht begrijpen. In deze lezing zal ik een nieuwe vorm van materie bespreken waarvan het bestaan door Albert Einstein in 1924 werd voorspeld, mede op basis van theoretisch werk van de Indiase fysicus Bose. Ruim 70 jaar later, in juni 1995, werd die nieuwe vorm daadwerkelijk gecreëerd door een onderzoeksgroep van de Universiteit van Colorado onder leiding van Eric Cornell en mijzelf. Inmiddels wordt hij over de gehele wereld bestudeerd. Hij ontstaat door een gas tot bijna ondenkbaar lage temperaturen te doen afkoelen, veel lager dan in de natuur gebeurt, waarna het vreemde en fascinerende kenmerken vertoont. De microwereld van de quantumfysica wordt er door opgeschaald tot afmetingen die makkelijk zijn waar te nemen.

De koudste plek in het heelal bevindt zich in de diepte van de interstellaire ruimte. Daar heerst een temperatuur van drie graden boven het absolute nulpunt (-273 °C, ofwel 0 kelvin) – dat beetje `warmte' is een relict van de Oerknal, toen het heelal ontstond. Hoewel dat volgens onze aardse standaard erg koud lijkt, is het miljoenen malen te heet voor BEC, het Bose-Einstein condensaat, zoals de nieuwe materie is gedoopt. Om atomen te doen afkoelen tot BEC, minder dan een-miljoenste graad boven het absolute nulpunt, moeten zij letterlijk tot een slakkengangetje worden vertraagd. Gelukkig kunnen fysici één ding veel beter dan de natuur en dat is: afkoelen. Ja, het Bose-Einstein condensaat in een gas ontleent daaraan zelfs zijn bestaan. In de natuur zou dat niet mogelijk zijn.

Waarom stellen wij zoveel belang in lage temperaturen? Dat heeft te maken met de quantummechanica en met Einstein. Als je een paar gasatomen in een doos stopt (zie figuur 1) zegt de quantummechanica dat alleen bepaalde energieën of snelheden zijn toegestaan. Die liggen in normale omstandigheden bijna oneindig dicht bij elkaar. Zolang het gas `redelijk warm' is, zeg een-honderdduizendste graad boven het absolute nulpunt, merk je niets van afzonderlijke energieën. De gasatomen gedragen zich als balletjes die rondvliegen en tegen elkaar aan botsen. Zij bezetten ontelbare verschillende energieniveaus. Maar koel je het gas af tot minder dan een-miljoenste graad, dan gebeurt iets vreemds: opeens springen de atomen massaal in het laagst mogelijke energieniveau. Dat is het Bose-Einstein condensaat ofwel BEC. Dat komt als volgt. Naarmate de temperatuur daalt worden de atoomgolven langer en als ze elkaar beginnen te overlappen ontstaat BEC. De vereiste temperaturen liggen ver onder de een-miljoenste graad boven het absolute nulpunt – voor Einstein reden het verschijnsel niet al te serieus te nemen.

Een Bose-Einstein condensaat is om meerdere redenen een uiterst vreemd materiaal. Ten eerste bevindt een groot aantal atomen zich in een en hetzelfde energieniveau. In geen enkel opzicht zijn ze van elkaar te onderscheiden, zelfs als ze dezelfde positie in de ruimte innemen! Zij hebben hun identiteit als afzonderlijke atomen verloren en vormen samen een soort `superatoom'. Ten tweede is een BEC zo groot dat het gemakkelijk kan worden waargenomen en gemanipuleerd. Niettemin vertoont hij het ongebruikelijke, niet-intuïtieve gedrag dat we gewoonlijk associëren met de sub-microscopische quantumwereld. Hoewel Einsteins idee over de condensatie van een zeer koud gas pas in 1995 is verwezenlijkt, bestaan er drie andere voorbeelden van dergelijk macroscopisch quantumgedrag. Dit zijn supergeleiding (een in 1913 door Kamerlingh Onnes ontdekt verschijnsel waarin de elektrische weerstand bij een bepaalde lage temperatuur verdwijnt), superfluïditeit (waarbij vloeibaar helium zonder wrijving stroomt) en laserlicht.

verschillen

Inmiddels begrijpen we dat de twee `supers' met BEC samenhangen, hoewel zij sterk verschillen van de atomen in een gas zoals Einstein voorzag. Deze drie verschijnselen zijn waarschijnlijk de meest opmerkelijke die door natuurkundigen in het leven zijn geroepen en bij onze poging om BEC in een gas te laten optreden werden we dan ook gedreven door de hoop dat we aan deze opmerkelijke familie een vierde lid met dezelfde exotische kenmerken konden toevoegen.

Na deze schets van de achtergrond van wat Bose-Einstein condensaat is en van onze drijfveer om het te laten optreden, ga ik nu over op de vraag hoe wij het maakten. In tegenstelling tot veel baanbrekende experimenten in de natuurkunde van nu vereist dit geen grote of dure apparatuur. Het hart van het apparaat voor dit experiment is te zien in figuur 2. Het gaat hier om een glazen vat, vacuümgezogen, waarin we een kleine hoeveelheid rubidiumatomen deden. Rondom de glaswand werd bedrading gewikkeld waardoor we stroom leidden om magnetische velden op te wekken. Laserlicht van goedkope diodelasers, zoals toegepast in een cd-speler of een laser pointer, werd door de glaswand geleid. Het hart van het apparaat is ongeveer zo groot als mijn vuist. Het wordt bevestigd op een tafel in het lab, het overblijvende deel van de tafel is grotendeels bedekt met de lasers en met het daarmee verbonden optische instrumentarium. De rubidiumatomen in het glazen vat worden afgekoeld met gebruikmaking van een combinatie van twee technologieën. Eerst wordt laserlicht gebruikt om in een magnetische val de atomen af te koelen en vast te houden, daarna hanteren we afkoeling door verdamping. Met enige nadruk zou ik willen stellen dat `niet duur' niet hetzelfde is als `gemakkelijk'. Het kostte ons vele jaren om dit alles te doen functioneren. Tijdens het koelingsproces doet men de atomen veel aan; ze moeten altijd met verfijnde zachtheid worden behandeld!

Om te zien hoe een BEC er uitziet nemen we er een `schaduwkiekje' van, zoals is te zien in figuur 3. Dat wordt gedaan door er een laserpuls doorheen te stralen. Het kleine atoomcluster absorbeert het licht en maakt een schaduw in de laserstraal. Op basis van deze kleine tweedimensionale zwart-witbeelden maken we met de computer driedimensionale kleurenbeelden – een aantrekkelijke presentatie helpt! Deze beelden tonen de dichtheid van atomen op de bodem van de magnetische val. In figuur 4 zijn drie afbeeldingen te zien tijdens de opeenvolgende stadia van afkoeling van het gas. Ik laat dit plaatje vooral om historische en sentimentele redenen zien: het vormde het eerste bewijs dat we inderdaad een BEC hadden gemaakt. Inmiddels zijn de beschikbare data veel beter.

Ook is het tamelijk uitzonderlijk dat natuurkundige vindingen op tv komen, de voorpagina's van kranten halen, op de omslag van tijdschriften en boeken prijken, op kalenders staan en zelfs op T-shirts. En wat toont die beroemde plaat nu feitelijk? In de meest linkse figuur hebben we de atomen afgekoeld tot aan een `lauwe' 400 nK (400-miljardste graad boven het absolute nulpunt) en we zien een ronde heuvel, die lijkt op de vertrouwde atoomverdeling die we bij elk normaal gas in een dergelijke magnetische val aantreffen. De middelste figuur beeldt een wolk van zo'n 10.000 atomen af, afgekoeld tot ongeveer 200-miljardste graad. Bovenop de ronde heuvel is een nauwe piek verrezen, corresponderend met een groot aantal dichtopeengehoopte atomen. Toen we de afkoeling voorzetten (rechts) produceerden we een sample, 2000 atomen groot, waarin de heuvel volkomen verdwenen was en alleen de nauwe piek resteerde. Die piek correspondeert met een grote groep atomen, dicht opeengepakt en bijna bewegingloos. Het lijkt veel op een waterdruppel die als gevolg van afkoeling door condensatie ontstaat. De atomen die in het laagst mogelijke energieniveau van de magnetische val zijn gecondenseerd, vormen de piek.

In juni 1995 is dit in ons laboratorium in Colorado gesignaleerd. Sindsdien maken wereldwijd zo'n 25 groepen BEC's, gebruikmakend van verschillende atomen. Talloze theoretici voorspellen eigenschappen van het condensaat en stellen nieuwe experimenten voor, veel sneller dan wij, arme sloebers van de experimentele praktijk, kunnen bijbenen. Over Bose-Einstein condensaten zijn al meer dan duizend wetenschappelijke artikelen verschenen, elke een of twee dagen komt er eentje bij!

Liever dan inadequaat verslag te doen van wat nu een uitgebreid onderzoeksveld is, zou ik een deelterrein willen behandelen waarmee we ons nu in ons lab bezighouden. Het is zeer opwindend omdat het een groot onontgonnen gebied ontsluit en ingrijpende en verrassende resultaten heeft opgeleverd. Het betreft de nieuwe mogelijkheid om de `zelfinteracties' binnen een condensaat te reguleren. De verschillende delen van het condensaat oefenen krachten op elkaar uit. Zo'n kracht noemen we de `zelfinteractie'. Als het om afstotende krachten gaat, betekent dit dat de brokstukken elkaar verdringen; daardoor wordt, als je er atomen aan toevoegt, het condensaat dikker. Wanneer er sprake is van aantrekking doet zich het tegengestelde voor. De deeltjes geven elkaar vrij baan, wat het condensaat doet krimpen als je er atomen aan toevoegt. Ga je hier te veel mee door, zo dacht men, dan kan het condensaat op een of andere manier imploderen. Zowel de sterkte als het teken van de zelfinteractie is afhankelijk van het soort atomen in het condensaat.

In het begin van de jaren '90, ruim voordat de condensaten er waren, opperde de Nederlandse theoreticus B. Verhaar de mogelijkheid de zelfinteractie in het BEC te wijzigen door bepaalde atomen in een magnetisch veld van precies de juiste grootte te plaatsen. Toen we eenmaal condensaten hadden, raakten wij door dit idee geïntrigeerd. Natuurkundigen waren nooit in staat geweest de zelfinteractie te reguleren en het daaropvolgende gedrag te bestuderen. Verhaars idee bood uitzicht op een nieuw terrein en tevens nieuwe kansen om BEC – en quantummechanisch gedrag in het algemeen – beter te begrijpen.

Dus zetten we er gretig onze tanden in. Het bleek een enorm karwei een atoom te vinden dat precies over die eigenschappen beschikte die nodig waren voor een regelbare zelfinteractie die tot Bose-condensaat kon leiden. Waar de theoretici ons niet voor hadden gewaarschuwd was dat aan deze wonderbare eigenschappen van reguleerbare interacties veel hinderlijke trekjes verbonden waren die het technisch veel moeilijker maken welk geschikt atoom dan ook tot condensaat te promoveren. Ze waren vatbaarder voor verhitting en ontsnapten eenvoudiger uit onze magnetische val. Pas na verscheidene jaren werk slaagden we met het rubidium-85 isotoop.

gering effect

Dit is hetzelfde als rubidium-87, dat we voor al ons andere BEC-werk gebruikten, alleen heeft het twee neutronen minder in de atoomkern. Dat heeft in normale omstandigheden een gering effect op de eigenschappen van het atoom, maar bij ultralage temperaturen verandert zijn gedrag ingrijpend. Eindelijk waren we in staat alle obstakels te overwinnen en de rubidium-85 atomen een BEC te laten vormen waarin we de zelfinteractie konden regelen. Een van de moeilijkheden om BEC in rubidium-85 te vormen was dat we het moesten afkoelen tot ongeveer een-honderdste van de temperatuur die we gebruikten om BEC in rubidium-87 te krijgen, en wel tot een-miljardste graad boven het absolute nulpunt! Nu we er in zijn geslaagd het te maken, beschikken we over de schitterende mogelijkheid om te bestuderen hoe het zich gedraagt als we de zelfinteractie wijzigen. Vergelijk het met de moeizame beklimming van een hoge bergpas om uiteindelijk te arriveren in een sappig, nog onontgonnen dal – een vergelijking die het publiek in Colorado meer zal aanspreken dan mijn Nederlandse gehoor.

Die experimenten zijn nog niet uitgevoerd doordat we iets ontdekten toen we de interacties aantrekkend maakten. We waren getuige van een ingrijpend en verrassend resultaat. Naarmate de interactie sterker aantrekkend werd gemaakt, kromp het condensaat, waarna zich plotseling een explosie voordeed waarbij atoomdeeltjes werden weggeblazen. Hoe onverhoeds die explosie ook was, nog verrassender was dat ongeveer eenderde van de atomen in een koud klein condensaat bleven, terwijl 30 procent na de explosie een wolk vormde met een temperatuur van ongeveer 50-miljardste graad boven het absolute nulpunt. Deze ineenstorting en de daaropvolgende explosie hebben opvallend veel weg van wat gebeurt in een supernova: een tot koude neutronenster instortende kern met daarbuiten een exploderende mantel van heet gas. Ons condensaat-gedrag noemen we dus voortaan `Bosenova's'. Natuurkundig vertonen deze twee gebeurtenissen grote verschillen en de energieschalen verschillen op een bijna onvoorstelbare manier. Momenteel verzamelen we meer gegevens en proberen we meer te weten te komen over Bosenova-gedrag.

Ik zou graag afsluiten met een kort exposé van wat de volgende stap is in het BEC-onderzoek, en met de daarmee nauw verband houdende vraag die de meeste niet-wetenschappers voor op de tong ligt: Waar is het goed voor? Uit het standpunt van zuiver natuurkundig onderzoek kan ik zeggen dat we nu vooral zullen doorgaan met het onderzoek naar de eigenschappen van BEC, gebruikmakend van het soort experimenten waarover ik zojuist heb gesproken. De daarbij opgedane kennis doet ons niet alleen deze vreemde nieuwe vorm van de materie beter begrijpen, zij verbreedt tevens onze kennis van bepaalde basisaspecten van de quantumfysica. Aspecten die een belangrijke rol zullen spelen in elektronische schakelingen zodra hun afmeting de quantumschaal nadert, en ook in de pogingen tot de bouw van een radicaal nieuwe computer, de `quantumcomputer'.

Nu is dit nog fundamenteel onderzoek, gedreven door nieuwsgierigheid, maar er zijn redenen aan te nemen dat BEC eens heuse praktische toepassingen zal hebben. Het zal nog vele jaren duren, misschien decennia, maar ik ben van mening dat condensaten het in zich hebben nut te hebben. De reden: hun overeenkomst met laserlicht. De fundamentele eigenschap die laserlicht nuttig maakt, is dat alle licht zich op precies dezelfde manier gedraagt. Dit stelt ons in staat dat licht veel beter te beheersen dan we dat kunnen met licht afkomstig van een gloeilamp. Die eigenschap maakt lasers zo effectief bij chirurgie, bij telefoonverkeer via glasvezelkabels en bij een veelheid van andere toepassingen. BEC is laserlicht, maar dan met atomen: alle atomen gedragen zich precies hetzelfde. Daarom kunnen we de atomen van BEC uitstekend sturen. We kunnen ze precies plaatsen waar we willen met precies de hoeveelheid energie die we wensen.

atoomklok

Werpt dit nut af? De eerste toepassingen zullen zich waarschijnlijk aandienen bij superverfijnde instrumenten, zoals betere atoomklokken en uiterst gevoelige apparatuur voor het meten van magnetische- en zwaartekrachtsvelden. Over een dergelijk BEC-gebruik wordt al serieus nagedacht en het zal binnen een paar jaar werkelijkheid zijn. Omdat weinig mensen een atoomklok op hun schoorsteenmantel wensen, gaat het hier om een beperkte toepassing. Maar op langere termijn lijkt het heel wel mogelijk dat BEC zal worden gebruikt om huis-tuin-en-keuken elektronica te maken. Wanneer men de huidige snelheid van de miniaturisering van de elektronica in ogenschouw neemt, lijkt het aannemelijk dat in de toekomst schakelingen zullen worden gebouwd door atomen exact daar te plaatsen waar ze nodig zijn. Dan zou de uitzonderlijke beheersing van atomen, ons aangereikt door een BEC, wel eens een vitaal instrument kunnen blijken. Voordat dit de praktijk zal zijn, moeten natuurlijk nog enorme technische obstakels uit de weg worden geruimd. Maar de punten van overeenkomst met de laser blazen mij de optimistische gedachte in dat BEC eens meer zal worden dan een exotisch stuk speelgoed voor natuurkundigen.

Dit is een vertaalde en ingekorte versie van de NWO/Huygenslezing die prof.dr. Carl E. Wieman afgelopen dinsdag in de Nieuwe Kerk in Den Haag heeft gehouden.

De volledige Engelstalige tekst, alsmede die van co-referent prof.dr. Jook Walraven, zijn te bestellen bij NWO, afdeling voorlichting, Postbus 93138 te Den Haag. E-mail: news@nwo.nl.

Bewegende graphics horende bij de lezing van Wieman zijn te vinden op de website http://www.colorado.edu/physics/

2000/index.pl