Zware moleculen stil gezet voor precisiemeting

Natuurkunde Een stilstaand molecuul is goed te bestuderen. In Groningen is een molecuul stil gezet met ijskoud gas en elektrische velden.

In deze opstelling van 4,5 meter lang worden moleculen met elektrische velden tot stilstand gebracht.
In deze opstelling van 4,5 meter lang worden moleculen met elektrische velden tot stilstand gebracht. Foto Steven Hoekstra, RUG

In een vacuümbuis van 4,5 meter hebben fysici zware moleculen tot stilstand gebracht. Amsterdamse en Groningse onderzoekers van samenwerkingsverband Nikhef ontwikkelden daarvoor een molecuulvertrager ontwikkeld waarbij ze met elektrische velden moleculen stil kunnen zetten. Ter demonstratie brachten de onderzoekers strontium-fluor-moleculen tot stilstand. Dit zijn de zwaarste moleculen die ooit met deze techniek gestopt zijn. De resultaten verschenen onlangs in Physical Review Letters.

Natuurkundigen die de allerkleinste bouwsteentjes willen bestuderen, kunnen aan de slag met een deeltjesversneller, zoals de 27 kilometer lange, cirkelvormige LHC bij Cern in Genève. Daar worden de kernen van waterstofatomen versneld tot bijna de lichtsnelheid en op elkaar gebotst. De subatomaire brokstukken die daarbij ontstaan vertellen iets over de wereld van het allerkleinste. Sinds kort is er een andere techniek toegevoegd aan de natuurkundige gereedschapskist: precisiemetingen aan stilstaande moleculen.

„Moleculen volgen dezelfde universele natuurwetten als de waterstofkernen die bij de LHC op elkaar botsen. Je hebt in principe dus toegang tot dezelfde informatie”, vertelt Steven Hoekstra, hoogleraar atoom- en molecuulfysica aan de Rijksuniversiteit Groningen, die werkt aan het stilzetten van moleculen. Met moleculen kunnen natuurkundigen andere aspecten van diezelfde natuurwetten bestuderen dan met de LHC. Zo kunnen ze dankzij de structuur van sommige moleculen de eigenschappen van elektronen in die moleculen preciezer meten dan mogelijk is met ‘losse’ elektronen.

Molecuulmetingen staan daarom in de belangstelling en er worden regelmatig nieuwe moleculen bedacht die geschikt zijn voor deeltjesfysica-experimenten. Om die ideeën uit te voeren is er een techniek nodig die moleculen tot stilstand kan brengen zodat er zo lang – en dus zo nauwkeurig – mogelijk gemeten kan worden.

IJskoud gas

In de vertrager worden de moleculen eerst gemaakt via een chemische reactie die plaatsvindt in een ijskoud gas, van -253°C. Hierdoor koelen de nieuwe moleculen meteen flink af waardoor ze trager bewegen. „Die moleculen vliegen dan met een redelijk lage snelheid van ongeveer tweehonderd meter per seconde de zogeheten Stark-afremmer in”, vertelt Hoekstra.

De Stark-afremmer is een vacuümbuis van 4,5 meter lang met duizenden ringvormige elektroden die een elektrisch veld opwekken in de buis. Door de kracht die dat veld uitoefent op de moleculen worden ze in een wolkje bij elkaar gehouden. „Daarnaast werkt het elektrische veld als een soort lopende band, zoals op Schiphol. Als je daarop staat word je met een bepaalde snelheid vooruit bewogen. Als die band vertraagt ga jij ook steeds trager”, zegt Hoekstra. „Dat doen we ook met de moleculen. Eerst beweegt die lopende band mee met de snelheid van de moleculen om te ze vangen. Vervolgens vertragen we de lopende band totdat hij stilstaat. De moleculen komen daarmee ook tot stilstand en dan kunnen we precisiemetingen doen.”