Laserkoeling voor kwantumgassen

In een ‘Insight’-nummer van Nature Physics beschrijven UvA-natuurkundigen de ontwikkelingen in deze vrijwel bewegingsloze wereld.

Het afremmen van een atoom of molecuul zodat het onderdeel wordt van een extreem koude substantie is niet eenvoudig. Je kunt niet simpelweg een enkel bewegend deeltje vastpakken en het dwingen om stil te staan. In de jaren 70 en 80 werden technieken ontwikkeld die het toch mogelijk maken om atomen in een vacuüm af te koelen: met behulp van nauwkeurig afgestelde bundels laserlicht kan de beweging van de deeltjes beetje bij beetje weggenomen worden. Door gebruik te maken van dit idee van laserkoeling kan men atomen en moleculen afremmen en zo gassen vormen met temperaturen vlakbij de allerlaagst mogelijke temperatuur, zo’n 273 graden onder nul op de Celsiusschaal.

Koud en schoon

Als gassen zo koud worden, worden ze ook erg ‘schoon’, wat wil zeggen dat warmte nauwelijks invloed heeft op de natuurkundige processen die zich afspelen. In plaats daarvan zijn het de wetten van de kwantummechanica die heersen. In veel gassen komen de atomen collectief tot rust in hun laagst mogelijke energietoestand, de Bose-Einsteincondensatie. Pas na de opkomst van de laserkoeling werd het mogelijk om materie te creëren en te bestuderen in zuivere realisaties van deze heel speciale kwantumtoestand, waarin alle deeltjes zich precies hetzelfde gedragen.

In de loop der jaren is het door de voortschrijdende ontwikkeling van laserkoeling mogelijk geworden om steeds meer elementen in zulke toestanden van kwantum-ontaarding te brengen, waarbij elk nieuw soort atomen zijn eigen experimentele mogelijkheden met zich meebrengt. Zo worden ultrakoude atomen tegenwoordig gebruikt in de allerbeste klokken, die de tijd kunnen meten met een nauwkeurigheid van één seconde op de leeftijd van het heelal. Bose-Einsteincondensaten doen ook dienst als bronnen van coherente atomen, en zijn veelbelovend als het gaat om extreem nauwkeurige detectie met behulp van atoom-interferometrie, vergelijkbaar met hoe de laser-interferometrie een doorbraak bracht in de optische detectie.

Tegelijkertijd zijn er nog veel richtingen open voor verder onderzoek en verdere ontwikkeling. Op dit moment worden, om een toestand van Bose-Einsteincondensatie te bereiken, verschillende technieken één voor één toegepast. Bovendien verdampen – vrij letterlijk – de extreme omstandigheden meestal snel wanneer zo’n toestand van kwantumontaarding eenmaal is bereikt, waarbij het quantumgas weer vernietigd wordt. Met verbeterde methodes wordt het mogelijk om met alleen laserkoeling een Bose-Einsteincondensaat te bereiken, terwijl het ook mogelijk wordt om die speciale toestand te behouden zo lang men wil: continue Bose-Einsteincondensatie.