In licht bevroren

Voor het eerst is het gelukt ultrakoude atomen in een driedimensionaal web van licht de overgang te laten maken van de superfluïde naar de isolerende toestand. Mogelijke toepassing: de quantumcomputer.

Een nieuwe toestand van de materie, zo laat het wolkje ultrakoud rubidium zich het best omschrijven. Bij een temparatuur van nog geen 10 miljardste graad boven het absolute nulpunt (-273 °C), zo blijkt uit Duitse experimenten, maakt een quantumgas dat gevangen zit in een 3D-lichtrooster bij voldoend hoge laserintensiteit de faseovergang van de superfluïde naar de isolerende toestand. Het experimentele hoogstandje is uitgevoerd door fysici van van het Max Planck-instituut voor Quantumoptica in Garching en staat deze week (3 januari) in Nature.

Het experiment betrof rubidium-87, een alkalimetaal. Hoe lager de temperatuur, hoe minder snel de atomen bewegen. Bij extreme koude, vlak boven het absolute nulpunt, zijn de thermische fluctuaties in een wolkje rubidium gas zo goed als verdwenen en overheerst het quantumkarakter. Bij 0,000000010 graden boven het absolute nulpunt zitten alle rubidiumatomen in dezelfde quantumtoestand en vormen als het ware één groot superatoom. In zo'n Bose-Einsteincondensaat, dat in 1995 in Boulder (Colorado) voor het eerst experimenteel is gerealiseerd (onlangs kregen de pioniers de Nobelprijs), bewegen de atomen zonder ook maar de minste wrijving: het gas is superfluïde (supervloeibaar).

Vervolgens sloten de Duitsers dit superfluïde gas, een bolletje van 0,026 mm diameter met daarin zo'n 200.000 rubidiumatomen, op in een driedimensionaal kubisch patroon van licht, met afwisselend `bergen' en `dalen' van energie. Dit `landschap' werd gecreëerd met zes infraroodlasers die in drie onderling loodrechte richtingen op het condensaat gericht werden. Dat levert een staande lichtgolf op met intensiteiten die periodiek van plaats tot plaats verschillen. Het hoogteverschil tussen pieken en dalen is nauwkeurig instelbaar via het laservermogen.

Bij niet al te uitgesproken intensiteitsverschillen in het optische patroon blijft het Bose-Einsteincondensaat van rubidium gewoon in de superfluïde toestand: de atomen kunnen vrijelijk van dal naar dal bewegen. Maar wordt het berglandschap te geaccidenteerd, dan verliezen de atomen plotseling hun vrijheid en raken ze alle aan een bepaald dal gebonden: het rubidiumcondensaat verandert in een isolator. Door de laserintensiteit op te hogen of te verzwakken is deze fasesprong naar believen de ene of de andere kant op uit te voeren. Of het rubidium superfluïde of isolerend was, bleek zodra de `magnetische val' waarin het condendaat zat opgesloten tegelijk met het optische berglandschap werd uitgezet. Nadat het gaswolkje 15 seconden was geëxpandeerd, werd het gefotografeerd. Alleen bij de superfluïde fase gaf die foto een fraai interferentiepatroon te zien.

Dit verrassende effect bij rubidium is volledig toe te schrijven aan het onzekerheidsprincipe van Heisenberg. Een quantumfasesprong is iets fundamenteel anders dan een thermische fasesprong als het bevriezen van water. In zuivere gedaante treedt zo'n quantumsprong op bij het absolute nulpunt, wanneer warmte-effecten volledig zijn `uitgevroren'. Werner Heisenberg formuleerde zijn principe, een van de steunpilaren van de quantumtheorie, in 1925. In zijn bekendste vorm stelt het dat wie de positie van een deeltje op een bepaald tijdstip precies wil weten voor lief moet nemen dat in de waarde van de hoeveelheid van beweging (massa keer snelheid) van datzelfde deeltje op datzelfde moment een fundamentele onnauwkeurig sluipt (die niets met meetonnauwkeurigheid te maken heeft). Wat je bij de een wint, verlies je bij de ander.

superfluïde

In het Duitse experiment zegt het onzekerheidsprincipe dat niet én het aantal atomen in een energiedal én een bepaalde eigenschap van de toestand van het condensaat tegelijk precies bekend kunnen zijn. Omdat bij een Bose-Einsteincondensaat alle atomen in dezelfde toestand zitten, kan het aantal atomen per dal sterk uiteenlopen: het condensaat is superfluïde. Treedt er een faseovergang op dan is het precies andersom: het aantal atomen in een dal ligt vast en de quantumtoestand van de atomen varieert sterk van dal tot dal, zodat er sprake is van isolatie.

In een commentaar in Nature steekt de Utrechtse theoretisch fysicus Henk Stoof de loftrompet over het Duitse resultaat. De waargenomen quantumfaseovergang was al voorspeld in een supergeleidende vaste stof maar de combinatie rubidiumgas-optisch patroon heeft het grote voordeel dat het systeem instelbaar is door de laserintensiteit aan te passen. Als mogelijke toepassing van de quantumfasesprong naar de isolerende toestand van rubidium ziet Stoof de quantumcomputer, met vastgepinde atomen (minimagneetjes die omhoog of omlaaggericht kunnen staan) in de rol van qubits. Die zouden als geheugen kunnen functioneren en zelfs moet het mogelijk zijn er quantumberekeningen mee te doen.