|
| |
Een nieuwe krachtige laser die zijn werking niet aan licht ontleent, maar aan de bundeling van atomen. De al in 1925 door Einstein voorspelde, maar pas twee jaar geleden voor het eerst waargenomen Bose-Einstein condensatie zou wel eens spectaculaire technologische gevolgen kunnen hebben. Leuk, vindt dr. ir. Henk Stoof, maar voor een theoreticus toch eigenlijk bijzaak. "Het voornaamste is dat we meer te weten komen over de fundamentele aspecten van de quantummechanica."
- Erik Hardeman -
De opwinding was groot in het Utrechtse Buys Ballot-laboratorium, toen twee jaar geleden bekend werd dat drie Amerikaanse onderzoeksgroepen er vrijwel gelijktijdig in waren geslaagd om supergeleiding in een gas te realiseren. "Voor mij was dat fantastisch nieuws", herinnert Stoof zich. "Ik was al een tijd met dat onderwerp bezig en het feit dat die zogeheten Bose-Einstein condensatie nu experimenteel was aangetoond, opende enorme perspectieven voor de theorie. Voor de experimentele groep uit Amsterdam die al sinds 1980 bezig was om dit experiment voor elkaar te krijgen, was het overigens minder goed nieuws. Zij zaten er lange tijd het dichtst bij, maar zijn op het allerlaatste moment door de Amerikanen ingehaald."
De voorspelling van Einstein kwam er kort samengevat op neer dat zich in bepaalde gassen bij extreem lage temperaturen een plotselinge verandering zal voordoen in het gedrag van de atomen. De normale situatie waarin atomen zich vrij door de ruimte bewegen en door onderlinge botsingen energie uitwisselen, zou in de buurt van het absolute nulpunt plaats maken voor een toestand waarin de atomenallemaal in het gelid gaan staan. Doordat ze dan niet meer botsen neemt de energieuitwisseling en daarmee ook de wrijving in het gas af tot nul. Een bal die je door zo'n supergeleidend gas zou schieten, zou dus niet in zijn vaart worden geremd.
In de klassieke mechanica is een dergelijke verandering ondenkbaar. Bij verlaging van de temperatuur kan een gas in die visie alleen condenseren tot een vloeistof. Maar rond 1900 werd duidelijk dat de klassieke theorie het gedrag van deeltjes in gassen bij heel lage temperaturen niet afdoende verklaart. Als aanvulling op de klassieke theorie ontstond in het begin van deze eeuw de quantummechanica, die deeltjes beschrijft als golfpakketjes. Naarmate de temperatuur lager wordt, wordt de golflengte van zo'n pakketje groter en de energie kleiner. Als de temperatuur extreem laag wordt en de golflengtes van de atomen dus extreem groot, gaan ze elkaar op een gegeven moment overlappen. Op dat moment zullen de atomen een soort identiteitscrisis krijgen, voorspelde Einstein. In plaats van zich te blijven gedragen als afzonderlijke deeltjes en te condenseren tot een vloeistof, zullen ze onder bepaalde omstandigheden het eerder beschreven groepsgedrag gaan vertonen.
Nano-Kelvins
De experimentele bevestiging van de theorie van Einstein door groepen uit Boston (Houston) en Boulder (Colorado) was volgens Stoof een technisch hoogstandje. "We praten hier over temperaturen van enkele nano-Kelvins, dat wil zeggen 0,000.000.001 Kelvin, ofwel een fractie boven het absolute nulpunt van min 273 graden Celsius. Om die temperatuur te bereiken zonder dat het gas tot vloeistof zou condenseren, heeft men in een glazen bak met behulp van twee sterke magneten een soort 'magnetische valkuil' gevormd, waarin ongeveer honderdduizend rubidium-atomen met laserkoeling werden afgekoeld tot een miljoenste graad boven het nulpunt. Maar bij die temperatuur gebeurde nog niets bijzonders en de kunst was dus nu om een methode te ontwikkelen die het gas nog kouder zou maken."
Curieus genoeg lieten de Amerikaanse onderzoekers zich daarbij inspireren door hun dagelijkse kop koffie. Als doorgewinterde koffiedrinkers wisten ze dat een kop koffie afkoelt doordat de moleculen met de grootste energie uit de vloeistof ontsnappen. Daardoor wordt de gemiddelde snelheid van de resterende moleculen lager en de koffie dus kouder. Een verlies van één procent aan moleculen, betekent een teruggang van maar liefst tien procent in temperatuur.
"Om de 'magnetische valkuil' verder af te koelen, hebben ze naar de koffie-methode gegrepen", lacht Stoof. "Door met de magneten te manipuleren maakten ze de valkuil telkens wat minder diep. Dan sprongen de snelste atomen eruit met als gevolg dat de temperatuur hetabsolute nulpunt steeds dichter naderde. Dat het de Amerikanen wel lukte om zo de Bose-Einstein condensatie te bewerkstelligen en onze collega's in Amsterdam niet, lag aan het feit dat men in Amsterdam waterstof gebruikte en in Colorado rubidium. Hoe harder atomen op elkaar botsen, hoe groter hun kans om te ontsnappen en dus hoe sterker de afkoeling. De Amsterdammers hadden de pech dat rubidium-atomen harder botsen dan waterstof-atomen, waardoor de Amerikanen hun gas net iets verder konden afkoelen. En dan te bedenken dat de Amsterdammers de 'koffie-methode' mede hadden bedacht."
Koortsachtig
De experimentele bevestiging van de theorie van Einstein leidde in de wereld van de theoretische fysica tot koortsachtige activiteit, aldus een zichtbaar tevreden Stoof. "Toen duidelijk was, dat de Bose-Einstein condensatie inderdaad plaats vindt, rezen er uiteraard allerlei nieuwe vragen. Zo proberen we op dit moment bij voorbeeld de exacte temperatuur te voorspellen waarbij het verschijnsel in verschillende gassen optreedt. Ook kijken we naar het maximale aantal atomen dat bij de overgang betrokken is. In het algemeen kun je zeggen dat wij theorieën opstellen en voorspellingen doen die elders experimenteel worden getoetst.
"Maar het kan ook andersom. De groep uit Colorado die het Bose-Einstein effect twee jaar geleden heeft waargenomen, heeft bij wijze van experiment een druppeltje gas in die magnetische valkuil laten oscilleren. Bij heel lage temperaturen gebeurde precies wat de theorie voorspelde. Maar bij iets hogere temperaturen klopte het verhaal niet meer. Nu hebben zij de theoretici de vraag gesteld of zij kunnen begrijpen wat er gebeurt."
Op dit moment wacht Stoof met spanning op de resultaten van in Texas verrichte experimenten op basis van een door hem en promovenda Marianne Houbiers voorspelde Bose-Einstein condensatie van Lithium 6. Op de vraag naar het doel van dit soort onderzoek kijkt Stoof in eerste instantie verbaasd op. "Het doel? Dat is onderzoek naar de fundamentele aspecten van deze nieuwe quantum-systemen." Natuurlijk wordt er ook naar praktische toepassingen gezocht, erkent de Utrechtse onderzoeker. "Een mooi voorbeeld is de constructie van een nieuw soort laser die niet met fotonen maar met atomen werkt. De huidige lasers werken door fotonen (lichtdeeltjes) die allemaal in dezelfde energetische toestand verkeren met behulp van spiegels in een lange smalle bundel te dwingen. In de Bose-Einstein situatie verkeren alle atomen in dezelfde toestand en de gedachte is nu dat je dus ook een laser van atomen moet kunnen maken. Als dat lukt heb je een heel nauwkeurige laser, waarmee je bij voorbeeld betere chips zou kunnen maken."
Maar na dit uitstapje naar de praktijk keert Stoof liefst zo snel mogelijk terug naar zijn werkelijke liefde, de theorie. "Mijn voornaamste motivatie is om steeds beter te begrijpen hoe de quantummechanica werkt. En in dat opzicht is zo'n magnetische valkuil een prachtig modelsysteem waarin theorieën heel mooi en clean kunnen worden getest. Natuurlijk is het belangrijk dat ons werk ook praktisch nut heeft. Maar voor mij staat voorop dat ik wil weten hoe de wereld in elkaar zit. Dat objecten bij voorbeeld door een gas kunnen bewegen zonder dat er sprake is van wrijving, dat is toch een enorm fascinerende gedachte?"