Koele atoomwolkjes vallen als kanonskogels naar beneden

Deeltjes zijn golven, en golven zijn deeltjes. Dat gegeven uit de quantummechanica hebben Guglielmo Tino van de Universiteit van Florence en collega’s van onder andere het ruimtevaartinstituut ESTEC in Noordwijk gebruikt om met atoomwolkjes het zwaartekrachtveld van 516 kilo wolfraam te meten (Physical Review Letters, 5 januari).

Hun techniek kan leiden tot een nieuwe meting van de zwaartekrachtsconstante G, die een hoofdrol speelt in de fundamentele natuurkunde en kosmologie, maar die slechts tot een schamele vier cijfers achter de komma bekend is. En een praktische toepassing is om de ondergrond in kaart te brengen, en daarmee olie- of watervoorraden.

Laserlicht wordt al decennialang gebruikt voor het uitvoeren van metingen met hulp van interferometers. Maar de precisie van zulke metingen is beperkt door de golflengte, voor zichtbaar licht is dat tussen de 0,4 en 0,8 duizendste millimeter.

Atomen zijn volgens de quantummechanica ook golven, maar met veel kortere golflengtes. Atoom-interferometers, waarin wolkjes ultragekoelde atomen zich gedragen als golven, bieden daarom een veel grotere meetprecisie.

De onderzoekers gebruikten wolkjes van een miljard rubidium-atomen van 4 microkelvin, die ze omhoog schoten in een cilindervormig vacuüm. De wolkjes worden door de zwaartekracht weer naar beneden getrokken, en staan dus op het hoogste punt in hun baan even stil, net zoals een recht omhoog geschoten kanonskogel.

Net op dat moment splitst een puls laserlicht het wolkje in twee wolkjes, die even apart van elkaar doorvallen, en vervolgens met een nieuwe puls weer worden samengevoegd. Het valtraject van de twee wolkjes verschilt subtiel, waardoor die hereniging niet perfect verloopt. Doordat de wolkjes tegelijkertijd ook golven, kan deze afwijking zeer precies gemeten worden, en vertaald worden in een plaatselijke zwaartekracht.