Bose-Einsteincondensaat leent zich voor meten Casimir-Polderkracht

Een wolkje ultrakoude atomen biedt de mogelijkheid de quantumkracht van het vacuüm te bepalen. Fysici van de universiteit van Colorado in Boulder zijn erin geslaagd deze minuscule kracht te meten met gebruikmaking van een Bose-Einsteincondensaat. Het is voor het eerst dat een Bose-Einsteincondensaat is ingezet als meetinstrument. Het artikel dat het experiment beschrijft verschijnt binnenkort in Physical Review A.

Bose-Einsteincondensatie is het effect dat bij extreem lage temperatuur de atomen van een gaswolkje alle in dezelfde quantumtoestand condenseren. Deze nieuwe toestand van de materie, in 1924 door Einstein voorspeld, is tien jaar geleden voor het eerst gerealiseerd door Eric Cornell en Carl Wieman, eveneens in Boulder.

De Casimir-Polderkracht is in 1948 voorspeld door het duo Hendrik Casimir en Dik Polder, toen werkzaam op het Philips Nat.Lab. in Eindhoven. Het gaat om de kracht die een (neutraal) atoom ondervindt in de nabijheid van een oppervlak. Oorzaak van deze kracht zijn vacuümfluctuaties. Volgens de quantumtheorie is het vacuüm het toneel van tal van virtuele deeltjes die voor korte tijd uit het niets opduiken en weer verdwijnen. Dat leidt tot de aanwezigheid van variabele elektrische velden die, alhoewel hun netto waarde nul is, zich niettemin doen gelden. Onder invloed van een oppervlak neemt de activiteit van de fluctuaties toe en het is om die reden dat een atoom in de buurt van zo'n oppervlak een aantrekkende kracht voelt. Het gaat om een miniem effect dat pas in 1993 naar behoren is gemeten.

Eric Cornell en zijn groep hebben nu deze Casimir-Polderkracht met aanzienlijk grotere precisie weten te bepalen door een Bose-Einsteincondensaat in te zetten. Net als in 1995 gingen ze uit van een wolkje rubidiumatomen, waaruit ze een condensaat maakten met de vorm van een pannenkoek ter dikte van enkele micron (een micron is een duizendste millimeter). Vervolgens manoeuvreerden ze het condensaat op enkele micron van een plaatje siliciumoxide en brachten het aan het pulseren (met een frequentie van 228 Hz).

Onder invloed van de Casimir-Polderkracht (die afneemt met de vierde macht van de afstand) verandert de pulsfrequentie wanneer de afstand tussen oppervlak en condensaat wordt gevarieerd. Het gaat om een gering effect: enkele hondersten van een procent verschil. Was tot nu toe het meten van Casimir-Polderkrachten op afstanden groter dan twee micron onbegonnen werk, het team in Boulder heeft deze afstand opgerekt tot tien micron. De grootte van de Casimir-Polderkracht, die valt af te leiden uit de verandering in frequentie, stemt overeen met de theorie.

    • Dirk van Delft