De pers kon niet genoeg super-latieven bedenken na het succes van de universiteit van Colorado in Boulder, waar Eric Cornell vorig jaar voor het eerst Bose-Einstein-condensatie (BEC) wist waar te nemen. ‘De heilige graal van de quantumfysica is gevonden’, ‘Een zekere Nobelprijs’ en ‘De belangrijkste ontdekking van deze eeuw’. Een kleine bijdrage aan het succes kwam uit Eindhoven, uit N-laag om precies te zijn. Daar berekende promovendus Hugo Boesten welk gas na Bose-Einstein-condensatie stabiel zou blijven.
Verstrooiingslengte
Boesten geeft het belang hiervan aan: ‘Het is al ontzettend moeilijk om te meten of je een echt Bose-condensaat hebt weten te maken. Zodra je het licht aandoet om te kijken wat je hebt, warmt het gas op en ben je alles kwijt. Je moet een korte laserflits geven en aan de absorptie door het gas kan je zien wat je vóór de flits hebt gehad. Het is daarom belangrijk om voor het experiment te kunnen voorspellen wat voor uitwerking het gas heeft, dat je gaat gebruiken.’ Welke gassen zijn geschikt om BEC mee te bewerkstelligen? Boesten vertelt: ‘In Boulder gebruiken ze voor de experimenten het alkali-metaal rubidium. Maar ook andere alkali-metalen zijn geschikt. Deze groep van elementen heeft als gemeenschappelijke eigenschap dat ze één elektron in de buitenste schil hebben. Door laserlicht wordt dit elektron gemakkelijk aangeslagen, het komt in een energetisch hogere toestand. Door deze eigenschap zijn alkali-atomen uitermate geschikt voor laserkoeling.’
Niet ieder gas van alkali-metalen levert na BEC echter een stabiel condensaat op. Boesten legt dit uit: ‘De stabiliteit van het condensaat hangt alleen af van de verstrooi-ingslengte van de atomen. In de quantummechanica wordt gekeken wat er gebeurt bij botsingen van kleine deeltjes. Als je die bot-singen vergelijkt met bijvoorbeeld het tegen elkaar stoten van grote ballen, dan is de verstrooiings-lengte van een atoom te vergelijken met de diameter van een bal, een eigenschap die de toestand na de botsing beïnvloedt.’
Deze vergelijking gaat echter niet helemaal op. ‘Nee, inderdaad’, zegt Boesten lachend. ‘De verstrooiingslengte kan namelijk positief of negatief zijn. En negatieve diameters bestaan natuurlijk niet.’
Hoe hangt de verstrooiingslengte samen met de stabiliteit van het Bose-condensaat? ‘Het was al bekend dat positieve verstrooiingslengten een stabiel condensaat opleveren en negatieve niet’, vertelt Boesten. ‘Maar van rubidium waren deze waarden niet bekend. Ik heb deze parameter bepaald voor de twee meest voorkomende rubidium-isotopen. Het isotoop met als massagetal 87 blijkt een stabiel product op te leveren. Het isotoop met twee neutronen minder in de kern en dus het massagetal 85 heeft daarentegen een negatieve verstrooiingslengte.’
Om voor zijn onderzoek de nodige meetgegevens te verkrijgen, werkte Boesten samen met de fysicus Dan Heinzen van de universiteit van Austin, Texas. ‘Voor mijn berekeningen had ik gegevens van botsingsexperimenten nodig. In Austin stond de apparatuur om deze proeven uit te voeren. In nauwe samenwerking met mijn Amerikaanse collega’s hebben we een experiment bedacht, waarmee we deze verstrooiingslengten konden bepalen.’
Atoomklokken
Een ander fenomeen dat Boesten onderzocht is hoe de verstrooiingslengte soms afhangt van het magnetische veld. ‘Dit verschijnsel heb ik bij kalium-atomen bekeken. Wanneer de atomen in een speciale toestand zijn, is dit inderdaad het geval en dat kan handig zijn. Aangezien je de gaswolk toch al vasthoudt met behulp van een magnetisch veld, kan je de stabiliteit van het Bose-condensaat dus heel gemakkelijk instellen.’ Maar het theoretische werk dat Boesten verricht heeft, is zeker ook nuttig op andere terreinen. Zo helpt de fundamentele kennis over atomaire botsingsprocessen ook om atoomklokken weer net een graadje nauwkeuriger te kunnen zetten.
Wat is nu het nut van het produceren van een klein wolkje ijskoud gas, waarin alle atomen hetzelfde doen? Boesten haalt de schouders op. ‘Dat is nu nog niet bekend. Je komt door het bestuderen van deze bijzondere toestand van de atomen natuurlijk meer te weten over de quantumfysische eigenschappen van de deeltjes. Ook hopen ze door het bekijken wat er gebeurt bij Bose-Einstein-condensatie meer te weten te komen over verschijnselen als supergeleiding. De overgang van gewone geleiding van elektronen naar supergeleiding is net zo abrupt als bij BEC. Dus daar zou best eenzelfde soort oorzaak aan ten grondslag kunnen liggen.’
Tot 1979 leek het onmogelijk dat de theorie van Einstein en Bose ooit in de praktijk getest zou kunnen worden. Maar in ’79 lukte het de Amsterdamse hoogleraar Silverus en zijn promovendus Walraven een klein wolkje van waterstofatomen te maken en vast te houden. Sinds dit jaar probeerden tientallen onderzoeksgroepen om zo’n wolkje atomen voldoende af te koelen om Bose-Einstein-condensatie te kunnen waarnemen. De vereiste extreem lage temperaturen waren echter moeilijk te bereiken. Een eerste stap in de goede richting werd gezet toen medio jaren tachtig de techniek van het laserkoelen ontwikkeld werd. Het te koelen gas wordt hierbij bestraald met laserlicht. Als een atoom een foton absorbeert neemt zijn bewegingsenergie een heel klein beetje af. Bij een bombardement van fotonen is de kracht waarmee de atomen afgeremd worden enorm, circa tienduizend keer de zwaartekracht. Je kan echter niet oneindig doorgaan met deze manier van superkoeling. Op een gegeven moment gaan de atomen onder invloed van het licht weer versnellen en wordt het gas weer warmer.
De onderzoeksgroep van Eric Cornell die werkte met alkali-atomen won de race uiteindelijk van de groep van -nu professor- Walraven, die met waterstofatomen experimenteerde. Cornell ontdekte dat het met een andere, nota bene door Walraven c.s. uitgevonden, techniek mogelijk was het lasergekoelde gas nog verder af te koelen. Het principe van verdampingskoelen. Alsof je over een kom soep blaast en de hete lucht wegblaast. Alleen is de soep nu een atomair gas en de kom een magnetisch veld dat de vorm heeft van een kegel. In de punt is het veld het kleinst, aan de rand het sterkst. Alleen de snelste, ‘heetste’ atomen lukt het om over de rand uit de valkuil te ontsnappen. Wat overblijft is een handjevol ultrakoude atomen met een temperatuur van tien nanoKelvin. Het eerste geproduceerde Bose-Einstein-condensaat bestond uit slechts tweeduizend atomen. Tegenwoordig lukt het de onderzoekers al om het experiment te herhalen met circa een miljoen atomen, een hoeveelheid gas dat al bijna zichtbaar is.