Fysici uit Bonn hebben een Bose-Einstein-condensaat gemaakt, een 'lichtdruppel'

Getekende impressie van een superfoton (de druppel middenin) Jan Klaers, Univ. Bonn

Nobelprijswinnaar Wolfgang Ketterle dacht dat het onmogelijk was. De wonderlijke quantumtoestand waarin hij in 1995 een sterk gekoeld gas had gebracht (een Bose-Einstein-condensaat, BEC, goed voor de Nobelprijs in 2001) kun je wel maken met gasatomen, zei hij, maar met lichtdeeltjes lukt dat niet. Ketterle had ongelijk, want fysicus Martin Weitz van de Universiteit Bonn en zijn collega’s beschrijven deze week hoe zij toch zo’n condensaat hebben gemaakt. Hun methode is heel vernuftig en tegelijk zo eenvoudig dat de eerste toepassingen ervan al zijn bedacht (Nature, 24 november).

In 1920 beredeneerde Satyendra Nath Bose en Albert Einstein dat quantumeffecten de regie overnemen wanneer gasatomen tot vlak boven het absolute nulpunt worden gekoeld. Alle atomen worden dan in dezelfde allerlaagste quantumtoestand geperst en gedragen zich collectief alsof zij één object zijn.

Er zijn geen theoretische obstakels om zoiets ook met lichtdeeltjes (fotonen) uit te halen, maar wel praktische bezwaren. Gasatomen koel je door er (bewegings)energie aan te onttrekken. Alleen: fotonen zijn niets meer dan energiepakketjes. Ze verdwijnen dus wanneer je ze hun energie afneemt.

Weitz en collega’s omzeilden dat door groen laserlicht op te sluiten in de krap 1,5 micrometer nauwe ruimte tussen twee holle spiegels. Alleen licht met specifieke, hoge frequenties (en bijbehorende korte golflengtes) kon in deze ruimte overleven. Bij andere frequenties doofden de heen en weer kaatsende lichtgolven elkaar uit. De fysici zorgden ervoor dat de ruimte zich vulde met het kortgolvige licht .

Cruciaal was dat zij vooraf ook een rode vloeistof tussen de spiegels hadden gegoten, die als een thermisch buffer fungeerde. De rode kleurstofmoleculen konden maar op één manier met de lichtdeeltjes wisselwerken: ze absorberen en weer uitzenden. Zo verdeelden ze de fotonen over de ruimte, tot een evenwichtsituatie ontstond waarin de fotonen tot kamertemperatuur waren afgekoeld – zonder ze kwijt te raken.

Als de fysici meer en meer fotonen in de ruimte pompten, trad op enig moment verzadiging op. Voegden zij daarna nog meer lichtdeeltjes toe, dan ontstond midden in de ruimte een intense bundel geel licht – een ‘druppel gecondenseerd licht’. Dat gebeurde bij verschillende lichtfrequenties, maar bij steeds dezelfde fotondichtheid – een bewijs dat het echt condensatie betreft en dat vele lichtdeeltjes zich hier samen als één superfoton gedragen.

Op de website van Nature noemt Ketterle het werk een ‘spectaculair stukje fysica’. Het maakt de scheidslijn tussen licht en materie nog weer dunner. En het leidt op termijn misschien zelfs tot efficiëntere zonnecellen, of krachtige coherente uv-lichtbronnen. Margriet van der Heijden