Ultrakoeling met laserlicht maakt spiegeltjes trillingsvrij

Fotonen, of lichtdeeltjes, die tegen een spiegel kaatsen oefenen een kleine, maar meetbare druk uit. Voor het eerst is deze lichtdruk gebruikt om minuscule spiegels af te koelen tot dichtbij het absolute nulpunt van -273,15 graden Celsius.

Het afkoelen van spiegels tot ze (vrijwel) geen interne thermische trillingen meer hebben, is belangrijk voor extreem gevoelige metingen. Maar ook het gedrag van superkoude spiegels zelf interesseert natuurkundigen.

Bij zeer lage temperaturen wordt dat gedrag beschreven door de quantummechanica, wat bijvoorbeeld inhoudt dat een spiegel zich in twee posities tegelijk zou kunnen bevinden. Zulke eigenaardige ‘superposities’ zijn tot dusver vooral in atomen en moleculen gezien. Het afkoelen van macroscopische objecten als spiegels bleek veel lastiger.

Onderzoekers onder leiding van Anton Zeilinger in Wenen en van Antoine Heidmann in Parijs beschrijven nu in twee artikelen (Nature, 2 november) hoe ze spiegels koelden met licht. Dustin Kleckner en Dirk Bouwmeester van de University of California, Santa Barbara beschrijven in dezelfde editie een verwante techniek.

In alle experimenten is het spiegeltje, met afmetingen onder de millimeter, geplaatst tegenover een grotere (deels doorlatende) spiegel. Tussen deze twee spiegels kan nauwkeurig afgestemd, van buiten ingebracht laserlicht extreem vaak heen en weer kaatsen, als in een langgerekte tennisrally. De ‘trillingsholte’ tussen de spiegels vult zich daarbij met kaatsende fotonen.

De truc die in alle experimenten gebruikt wordt is om de aanstralende laser een tikje te ontstemmen. In die licht ontstemde toestand wordt het aantal heen en weer kaatsende fotonen sterk afhankelijk van de afstand tussen de twee spiegels.

In de Franse en de Oostenrijkse experimenten wordt dit effect direct ingezet: wijkt het spiegeltje in een thermische trilling een heel klein beetje naar achter, dan zakt het aantal kaatsende fotonen in. Daardoor wordt de netto lichtdruk op het spiegeltje lager, en beweegt het weer terug. Andersom wordt, als het spiegeltje naar voren trilt, het aantal fotonen hoger, en dus de lichtdruk ook. Zo wordt iedere beweging van het spiegeltje door het licht tegengewerkt, en koelt het langzaam af. De onderzoekers melden een afkoeling tot 8 graden boven het absolute nulpunt.

In de Amerikaanse opstelling wordt de gemeten vulling van de trillingsholte gebruikt om actief een tweede laser aan te sturen die het spiegeltje remt met lichtdruk. Met deze actieve terugkoppeling werd een temperatuur van 0,135 graden boven het absolute nulpunt bereikt. Niet koud genoeg om quantummechanische effecten te zien, maar wel een stap in de goede richting. Bruno van Wayenburg