Groepsgedrag bij fotonen ontstaat vanaf 7 deeltjes

Deeltjesfysica

Lichtdeeltjes gaan collectief gedrag vertonen zodra ze met zijn zevenen of meer zijn. Dat is nu gemeten bij hele lage temperatuur.

Getekende impressie van een superfoton Afbeelding Jan Klaers

Zodra ze met zijn zevenen of meer zijn, gaan fotonen (lichtdeeltjes) zich hetzelfde gedragen als een zwerm van miljarden. Onderzoekers hebben dit waargenomen nadat ze een handjevol lichtdeeltjes in een toestand hadden gebracht die tot nog toe alleen bij gigantische hoeveelheden fotonen gezien was. Hun resultaten verschenen maandag in Nature Physics.

Grote groepen deeltjes gedragen zich meestal anders dan een enkel deeltje. Zo kan een watermolecuul niet bevriezen, maar een druppel of een meer vol water wel. Die verandering van de toestand, in dit geval van vloeibaar naar vast, ontstaat door het collectieve gedrag van de triljarden watermoleculen in zo’n druppel. Maar hoeveel deeltjes heb je minstens nodig voor collectief gedrag?

De Britse en Duitse onderzoekers hebben dat nu onderzocht voor minder dan tien fotonen. Ze keken hiervoor naar een toestandsverandering die vergelijkbaar is met de overgang van vloeibaar water naar ijs. Lichtdeeltjes kunnen weliswaar niet bevriezen, ze kunnen wel in een quantumtoestand genaamd bose-einstein-condensaat gebracht worden.

Bose-einsteincondensaat

Een bose-einsteincondensaat is een toestand waarin materie zich kan bevinden, net als vast, vloeibaar en gas. Atomen kunnen een bose-einsteincondensaat vormen bij een extreem lage temperatuur – net iets boven het absolute nulpunt bij -273 °C. In deze toestand zijn losse atomen niet meer van elkaar te onderscheiden. Ze gedragen zich collectief als één groot atoom.

Lees ook: Meeste materie is nog verborgen na een eeuw meten

In theorie zouden fotonen zich ook in deze quantumtoestand moeten kunnen bevinden. Maar ze hebben geen massa. Ze bestaan enkel uit energie, niet uit materie. Als je fotonen afkoelt tot vlak boven het nulpunt, dan hebben ze bijna geen energie meer en is er amper iets van over.

Sinds een jaar of acht lukt het onderzoekers om ook fotonen een bose-einsteincondensaat te laten vormen. Zelfs bij kamertemperatuur. Dat gebeurt met een opstelling die bestaat uit twee spiegels met daartussen een kleine ruimte van enkele micrometer breed. De holte is opgevuld met een kleurstof. Vervolgens worden er, met een laser, fotonen in ‘gepompt’. De spiegels zorgen ervoor dat de fotonen gevangen blijven in de holte, de kleurstof absorbeert de fotonen en zendt ze weer uit. Dat uitzenden gebeurt altijd met dezelfde golflengte. Zo krijgen de fotonen allemaal dezelfde golflengte en dus dezelfde energie.

Bij zeven of meer fotonen zien de onderzoekers dat ze bijna allemaal dezelfde energie hebben. Ze zijn niet meer van elkaar te onderscheiden, net als atomen in een bose-einsteincondensaat. Een fotonen-bose-einsteincondensaat is geboren.

„Bij minder dan zeven fotonen ontstaat er geen bose-einsteincondensaat”, vertelt Florian Mintert, universitair hoofddocent aan het Imperial College in Londen, aan de telefoon. „Het aantal fotonen hangt samen met de grootte van de holte. In een kleinere holte kun je met nog minder fotonen een bose-einsteincondensaat maken. Maar technisch is het lastig om de opstelling zo klein te maken.”

Correctie (11 september 2018): In een eerdere versie van dit stuk werd de achternaam van onderzoeker Florian Mintert foutief vermeld als Minert. Dit is hierboven aangepast.

    • Dorine Schenk