17 feb. 1999
3 minuten
Onderzoekers van de Universiteit van Bonn hebben een gas van lichtdeeltjes gecreëerd dat extreem kan worden samengeperst. Hun resultaten bevestigen de voorspellingen van centrale theorieën van de kwantumfysica. De bevindingen kunnen ook de weg wijzen naar nieuwe soorten sensoren die minieme krachten kunnen meten.
De studie is gepubliceerd in het tijdschrift Science.
Als je de mond van een luchtpomp afsluit met je vinger, kan je de zuiger nog steeds naar beneden duwen. De reden: gassen zijn vrij eenvoudig te comprimeren – in tegenstelling tot bijvoorbeeld vloeistoffen. Als de pomp water zou bevatten in plaats van lucht, zou het vrijwel onmogelijk zijn om de zuiger te bewegen, zelfs met de grootste inspanning.
Gassen bestaan meestal uit atomen of moleculen die snel door de ruimte wervelen. Het is vergelijkbaar met licht: de kleinste bouwstenen zijn fotonen, die zich in zekere zin als deeltjes gedragen. En fotonen kunnen ook worden behandeld als een gas, maar dan een gas dat zich enigszins ongewoon gedraagt: je kunt het onder bepaalde omstandigheden vrijwel zonder moeite comprimeren. Tenminste, dat is wat de theorie voorspelt.
Fotonen in de spiegeldoos
De onderzoekers van het Institute of Applied Physics (IAP) hebben dit effect nu voor het eerst in experimenten aangetoond. "Om dit te doen, hebben we lichtdeeltjes opgeslagen in een kleine doos gemaakt van spiegels", zegt hoofdonderzoeker Julian Schmitt. "Hoe meer fotonen we erin stopten, hoe dichter het fotongas werd."
De regel is meestal: hoe dichter een gas, hoe moeilijker het is om te comprimeren. Dit is ook het geval met de verstopte luchtpomp – in het begin kan de zuiger heel gemakkelijk naar beneden worden geduwd, maar op een gegeven moment kan hij nauwelijks meer worden bewogen, zelfs niet met veel kracht. De experimenten in Bonn waren aanvankelijk vergelijkbaar: hoe meer fotonen ze in de spiegelkast stopten, hoe moeilijker het werd om het gas te comprimeren.
Hoe dichter, hoe makkelijker te comprimeren
Het gedrag veranderde echter op een gegeven moment abrupt: zodra het fotongas een bepaalde dichtheid overschreed, kon het plotseling bijna zonder weerstand worden samengeperst. "Dit effect komt voort uit de regels van de kwantummechanica", zegt Schmitt. De reden: de lichtdeeltjes vertonen een "fuzziness" – in eenvoudige bewoordingen is hun locatie enigszins wazig. Omdat ze bij hoge dichtheden heel dicht bij elkaar komen, beginnen de fotonen elkaar te overlappen. Natuurkundigen spreken dan ook van een "kwantumdegeneratie" van het gas. En het wordt veel gemakkelijker om zo’n kwantum gedegenereerd gas samen te persen.
Zelforganiserende fotonen
Als de overlap sterk genoeg is, versmelten de lichtdeeltjes tot een soort superfoton, een Bose-Einstein-condensaat. In zeer vereenvoudigde bewoordingen kan dit proces worden vergeleken met het bevriezen van water: in vloeibare toestand zijn de watermoleculen ontregeld; dan vormen zich bij het vriespunt de eerste ijskristallen, die uiteindelijk samensmelten tot een uitgestrekte, sterk geordende ijslaag. Er worden ook ‘eilanden van orde’ gevormd net voor de vorming van het Bose-Einstein-condensaat, en ze worden steeds groter met de verdere toevoeging van fotonen.
Het condensaat ontstaat pas als deze eilanden zo groot zijn geworden dat de orde zich uitstrekt over de hele spiegelkast met daarin de fotonen. Dit kan worden vergeleken met een meer waarop onafhankelijke ijsschotsen uiteindelijk zijn samengevoegd tot een uniform oppervlak. Dit vereist natuurlijk een veel groter aantal lichtdeeltjes in een uitgebreide doos dan in een kleine. "We hebben deze relatie in onze experimenten kunnen aantonen", benadrukt Schmitt.
Om een gas te creëren met een variabel aantal deeltjes en een welbepaalde temperatuur, gebruiken de onderzoekers een ‘warmtebad’: "In de spiegelkast brengen we moleculen in die de fotonen kunnen absorberen", zegt Schmitt. "Vervolgens zenden ze nieuwe fotonen uit die gemiddeld de temperatuur van de moleculen hebben – in ons geval net onder de 300 Kelvin, wat ongeveer kamertemperatuur is."
De onderzoekers moesten ook een ander obstakel overwinnen: fotongassen zijn meestal niet uniform dicht – op sommige plaatsen zijn er veel meer deeltjes dan op andere. Dit komt door de vorm van het vat waarin ze zich bevinden. "We hebben onze experimenten anders aangepakt", zegt eerste auteur Erik Busley. "We vangen de fotonen op in een spiegelkast met platte bodem die we hebben gemaakt met behulp van een microstructureringsmethode, waardoor we voor het eerst een homogeen kwantumgas van fotonen konden creëren."
In de toekomst zal de kwantumversterkte samendrukbaarheid van het gas onderzoek mogelijk maken naar nieuwe sensoren die kleine krachten kunnen meten.
Anderen lazen ook
