Amsterdamse natuurkundigen bouwen een atomenlaser die altijd aan kan blijven

Wat lasers zo speciaal maakt, is dat ze coherente lichtgolven gebruiken: al het licht in een laser golft volledig synchroon. Tegelijkertijd leert de kwantummechanica ons dat we deeltjes zoals atomen óók als golven moeten zien. Daardoor kunnen natuurkundigen ook ‘atomenlasers’ maken, die coherente materiegolven bevatten. Maar kunnen ze die materiegolven in stand houden om ze in toepassingen te gebruiken?

In onderzoek dat in Nature werd gepubliceerd, toont een team van Amsterdamse natuurkundigen aan dat het antwoord ‘ja’ is.

Het concept dat ten grondslag ligt aan de atomenlaser, is het Bose-Einsteincondensaat (BEC). Bosonen zijn zacht: ze kunnen bijvoorbeeld zonder problemen dwars door elkaar bewegen. Het bekendste voorbeeld van een boson is het foton. Maar materiedeeltjes kunnen ook gecombineerd worden en zo bosonen vormen – sterker nog, hele atomen kunnen zich precies zo gedragen als lichtdeeltjes. Wat bosonen zo bijzonder maakt, is dat ze allemaal in exact dezelfde toestand kunnen zijn op exact hetzelfde moment, ofwel kunnen ‘condenseren’ tot een coherente golf. Wanneer materiedeeltjes op zo’n manier condenseren noemen natuurkundigen de substantie die overblijft een Bose-Einsteincondensaat. Om de coherente materiegolven van een BEC te vormen, mag het echter niet warmer zijn dan een miljoenste graad boven het absolute nulpunt.

Vluchtige uitbarstingen

Een kwarteeuw geleden werden de eerste Bose-Einsteincondensaten in natuurkundelaboratoria gemaakt. Daarmee was de weg vrij voor het maken van atomenlasers, maar die konden slechts korte tijd functioneren. De lasers konden pulsen van materiegolven produceren, maar zodra een dergelijke puls was uitgezonden moest eerst een nieuw BEC gemaakt worden voordat de volgende puls kon worden uitgezonden. De continue variant bleef 25 jaar lang een utopie.

BECs zijn namelijk erg kwetsbaar en worden al snel vernietigd als er licht op valt. De aanwezigheid van licht is echter cruciaal bij het vormen van het condensaat: om een substantie af te koelen tot een miljoenste van een graad moet je de atomen afkoelen met behulp van laserlicht. Het gevolg was dat BECs alleen gemaakt konden worden in vluchtige uitbarstingen, zonder mogelijkheid om ze coherent te behouden.

Een kerstcadeau

Een team van natuurkundigen van de Universiteit van Amsterdam heeft dit probleem nu opgelost. Teamleider Florian Schreck: "In eerdere experimenten werd het geleidelijk afkoelen van de atomen allemaal op één plek gedaan. In onze opstelling besloten we om de afkoelstappen niet in de tijd maar in de ruimte te verspreiden: we zorgen ervoor dat de atomen bewegen, terwijl ze stap voor stap de afkoelstadia doorlopen. Uiteindelijk arriveren ultrakoude atomen zo in het hart van het experiment, waar ze gebruikt kunnen worden om coherente materiegolven te vormen in een BEC. Maar terwijl deze atomen gebruikt worden, zijn er alweer nieuwe atomen op weg om het BEC aan te vullen. Zo kunnen we het proces gaande houden – in principe voor eeuwig."

Hoewel het onderliggende idee betrekkelijk eenvoudig is, was de uitvoering ervan dat beslist niet. Eerste auteur Chun-Chia Chen: "Al in 2012 wist het team – toen nog in Innsbruck – een techniek te bewerkstelligen die het mogelijk maakte om een BEC te beschermen tegen het koelende laserlicht, waarmee het voor het eerst mogelijk werd om laserkoeling helemaal in te zetten om te koelen tot de gedegenereerde toestand die nodig is voor coherente golven. Hoewel dat een goede eerste stap was op weg naar de langlopende uitdaging om een continue atomenlaser te maken, werd ook duidelijk dat er een toegewijde machine nodig zou zijn om de ontwikkeling te voltooien. Toen we in 2013 naar Amsterdam verhuisden, begonnen we met een sprong in het diepe, geleend geld, een leeg laboratorium en een team dat volledig gefinancierd werd door persoonlijke subsidies. Zes jaar later, in de vroege uren van kerstochtend 2019, stond het experiment eindelijk op het punt van werken. We kregen het idee om een extra laserstraal toe te voegen, en dat loste de laatste technische problemen op – en onmiddellijk toonde elke afbeelding die we maakten een BEC, het allereerste BEC met een continue golf."

Nu ze het langlopende open vraagstuk van het continue Bose-Einsteincondensaat hebben opgelost, hebben de onderzoekers al een volgend doel in het vizier: de laser gebruiken om een stabiele straal van materie te produceren. Zodra hun lasers niet alleen altijd aan kunnen blijven maar ook stabiele stralen kunnen produceren, staat niets meer in de weg van toepassingen in de technologie, en kunnen materie-lasers een even belangrijke rol in de techniek gaan spelen als gewone lasers op dit moment al doen.