Stelletje of liever alleen ?

Lichtgolven kunnen tevens als lichtdeeltjes worden beschreven. Deeltjes hebben omgekeerd een golfkarakter. In het lab kan dat tot raadselachtig gedrag leiden.

Margriet van der Heijden

Met laserlicht worden atomen afgekoeld. Magneetvelden (eerst alleen de groene spoelen en daarna ook de rode ) verzamelen de atomen in een sigaarvormig wolkje, dat even later op de detector daaronder neerdaalt (links). Rechts de opstelling in meer detail. Foto’s VU/John McNamara VU/John McNamara

“Vorige zomer reed een truck bij ons voor met de Franse detector. Twee weken later hadden we de meeste metingen al gedaan en nog een week later presenteerden we de eerste resultaten op een conferentie.” Wim Vassen, onderzoeker bij het Lasercentrum van de Vrije Universiteit in Amsterdam, klinkt nog steeds enthousiast over de vaart waarmee de proeven verliepen die deze week, bijna een half jaar later, in Nature worden beschreven.

Met Parijse en Amsterdamse collega’s bestudeerde Vassen het gedrag van ultrakoude wolkjes heliumatomen. Preciezer: ze vergeleken het gedrag van twee helium-isotopen, 3He en 4He, die alleen van elkaar verschillen doordat de atoomkern van 3He één neutraal kerndeeltje minder bevat.

Een klein verschil dus, dat in de proeven toch veel effect had. Ruwweg gezegd bleek dat ultrakoude 4He-atomen graag stelletjes vormen, terwijl 3He-atomen einzelgängers zijn die elkaars aanwezigheid juist mijden.

Maar het gebruik van zulke termen uit het sociale leven, moet niet de indruk wekken dat zo’n wolkje is op te vatten als een verzameling bolletjes die op een of andere manier met elkaar communiceren, zo benadrukt Vassen nog maar eens. Waar het om gaat, is dat bij extreem lage temperaturen het golfkarakter van atomen zichtbaar wordt. En de quantummechanica die dat golfkarakter beschrijft, dicteert ook het bijbehorende gedrag.

Om dat gedrag te bestuderen, werden in een hoogvacuüm steeds wat heliumatomen ingevangen en tot een miljoenste graad Kelvin afgekoeld met laserlicht – de expertise van de VU. Met magneetvelden werden die koude atomen in een sigaarvormig wolkje verzameld (met ongeveer tienduizend atomen en een doorsnee in de lengte van minder dan een tiende millimeter). Als daarna de magneetvelden werden uitgezet, viel het naar beneden. Daar telde de Franse detector op tienduizend punten wanneer de atomen aankwamen.

“Zo’n cyclus duurt ongeveer een halve minuut”, vertelt Vassen. “En zo zijn we nachtenlang door gegaan: invangen, afkoelen, loslaten, tellen, invangen, afkoelen, loslaten, tellen...”

boson

De crux zat in het verloop van de tellingen. De 3He-atomen kwamen een voor een, ruim na elkaar, bij de detector aan. De 4He-atomen hadden daarentegen de neiging tot samenscholing: was er een 4He-atoom gedetecteerd, dan was de kans groot dat vlak daarna nog een 4He-atoom in de detector opdook. Ook al hadden deze atomen als gezegd geen enkele manier om over hun aankomsttijd te communiceren.

Het verschil in gedrag heeft te maken met de aard van de deeltjes. 3He-atomen zijn zogeheten fermionen (deeltjes met halftallige ‘spin’). In de quantummechanica moeten ze daarom gehoorzamen aan het Pauli-principe: twee fermionen kunnen nooit in dezelfde quantumtoestand (gekarakteriseerd door een golf) verkeren. In het afgekoelde, neervallende wolkje moeten de 3He-atomen elkaar dus noodgedwongen mijden.

4He-atomen zijn bosonen (deeltjes met heeltallige spin), net als fotonen (lichtdeeltjes). Hun gedrag verloopt analoog aan dat van fotonen uit bijvoorbeeld een ster of een kwiklamp, die ook de neiging hebben om twee aan twee, kort na elkaar, bij een detector te arriveren.

Dit raadselachtige effect wordt het Hanbury Brown-Twiss (HBT)-effect genoemd, naar de twee astronomen die het een halve eeuw geleden voor het eerst aantoonden. Zij telden toen geen lichtdeeltjes, maar registreerden pieken in lichtintensiteit. De correlaties daartussen konden zij helemaal beschrijven in termen van lichtgolven en ‘gewone’ klassieke fysica.

quantumoptica

Het vreemde HBT-effect leidde destijds tot veel discussie, vooral over wat het kon betekenen in termen van lichtdeeltjes. De Amerikaanse fysicus en Nobelprijswinnaar (2005) Roy Glauber, grondlegger van de quantumoptica, wist het effect uiteindelijk naar fotonen en de quantummechanica te vertalen. In zijn interpretatie verandert het gezamenlijke quantumveld van de overgebleven fotonen, zodra een lichtdeeltje in de detector is opgepikt. Indirect beïnvloedt de meting zo het gedrag van fotonen – met in dit geval samenscholing tot gevolg.

Iets dergelijks gebeurt met de 4He-atomen in de proeven van Vassen en collega’s, terwijl atomen in 3He elkaar juist uit de weg gaan. Helemaal nieuw is dat niet – beide fenomenen werden al eerder aangetoond. Het fraaie van het werk in het Amsterdamse Lasercentrum, zo stelt een commentaar in Nature, is dat nu voor het eerst de twee uiteenlopende gevallen (bosonen en fermionen) zo zuiver en in één experiment gemeten zijn.