Exotische materietoestand in een klein ruimtelab

Natuurkunde Het is gelukt om aan boord van ruimtestation ISS een bose-einsteincondensaat te maken. Dit kan leiden tot betere atoomklokken.

Astronaut Christina Koch bij het Cold Atom Lab aan boord van ruimtestation ISS. Daarin is het bose-einsteincondensaat gemaakt.
Astronaut Christina Koch bij het Cold Atom Lab aan boord van ruimtestation ISS. Daarin is het bose-einsteincondensaat gemaakt. Foto NASA

Een van de koudste plekken in het universum draait met 28.000 kilometer per uur rond op 400 kilometer boven het aardoppervlak. Het is een wolkje rubidiumatomen afgekoeld tot een fractie boven het nulpunt (-273,15°C). Bij die extreem lage temperatuur is het wolkje een zogeheten bose-einsteincondensaat, de vijfde fasetoestand waarin materie zich kan bevinden naast vast, vloeibaar, gasvormig en plasma.

In Nature beschrijven Amerikaanse onderzoekers deze exotische materietoestand in een experiment aan boord van het internationale ruimtestation ISS. Dankzij de microzwaartekracht in het ISS kan een bose-einsteincondensaat er langer bestaan dan op aarde mogelijk is: een ruime seconde in plaats van milliseconden.

In een bose-einsteincondensaat zijn losse atomen niet meer van elkaar te onderscheiden. Ze krijgen allemaal dezelfde quantumeigenschappen en gedragen zich collectief als één groot superatoom. Een ultrakoud condensaatwolkje kan enkele millimeters groot zijn en maakt zo quantumgedrag, dat zich normaal gesproken afspeelt op de allerkleinste schaal, zichtbaar.

Nauwkeurige quantummetingen

In 1995 werd er voor het eerst een bose-einsteincondensaat gemaakt. Sindsdien worden ze wereldwijd bestudeerd om quantumgedrag van deeltjes beter te begrijpen. Daarnaast kunnen bose-einsteincondensaten gebruikt worden voor nauwkeurige quantummetingen, zoals in atoomklokken, waarbij het belangrijk is dat de atomen nauwelijks bewegen zodat hun tijdafhankelijke eigenschap precies gemeten kan worden.

Een bose-einsteincondensaat realiseren is geen sinecure. Een wolkje atomen wordt eerst gekoeld met lasers die de beweging van de atomen afremmen. Daardoor verliezen ze hun energie en koelt het wolkje af. Daarna worden de snelst bewegende atomen verwijderd waardoor de gemiddelde temperatuur afneemt tot minder dan enkele miljardste graden boven het absolute nulpunt. Magneetvelden houden de atomen bij elkaar.

Een paar milliseconden

Om metingen te doen aan het condensaat, wordt het wolkje losgelaten uit de magnetische val. Op aarde heb je, door zwaartekrachteffecten, maar een paar milliseconden voor je experiment voordat het wolkje vervlogen is. Die meettijd kun je oprekken door een bose-einsteincondensaat in ‘microzwaartekracht’ (gewichtsloosheid) te brengen. Op aarde is dat tijdelijk te bereiken met slimme technische trucs en vrijevaltorens.

In het ISS heerst continu microzwaartekracht. Daarom besloten de onderzoekers hun opstelling in elkaar te proppen tot een apparaat van 233 kilogram dat precies de juiste afmetingen en elektronische aansluitingen heeft om in het ISS ingeplugd te kunnen worden. Sinds juni 2018 bevindt dit lab met op afstand bestuurbare experimenten zich in het ISS.

Dankzij de microzwaartekracht is een wolkje rubidiumatomen daar afgekoeld tot slechts een miljardste graad boven het absolute nulpunt, schrijven de onderzoekers. Het bose-einsteincondensaat dat zo ontstond bleef bovendien geen milliseconden, maar ruim een seconde lang meetbaar nadat het losgelaten werd uit de magnetische val.

Het is een geweldige technische prestatie

Florian Schreck fysicus

„Het is een geweldige technische prestatie om dit voor elkaar te krijgen aan boord van het ISS”, zegt fysicus Florian Schreck van de Universiteit van Amsterdam, die niet betrokken was bij het onderzoek. „Ze hebben een complex apparaat zo omgebouwd dat het klein is en robuust genoeg om een raketlancering aan te kunnen. Bovendien werkt het een lange periode in het ISS, zonder dat er onderhoud nodig is. Op aarde neemt dit soort technologie vaak een laboratorium aan ruimte in beslag.”

Strikt gezien is het bose-einsteincondensaat aan boord van het ISS niet de eerste in de ruimte. In 2017 creëerden Duitse onderzoekers een condensaat aan boord van een paraboolvlucht, waarbij een kleine raket enkele minuten gewichtloos was op meer dan 100 kilometer hoogte.

De eerste metingen aan het nieuwe bose-einsteincondensaat die de onderzoekers presenteren, vindt Schreck niet erg indrukwekkend. „De natuurkunde die je ziet is niet nieuw. Het zijn geen verrassende resultaten.” Mogelijk zullen toekomstige experimenten in het koude ruimtelab nieuwe inzichten opleveren, maar de belangrijkste prestatie is niet de natuurkunde, maar de techniek, benadrukt Schreck. De technologie om een ultrakoud bose-einsteincondensaat te maken in de ruimte kan gebruikt worden voor toekomstige natuurkundige experimenten in een baan om de aarde en om atoomklokken aan boord van gps-satellieten beter te maken.