Borromeaanse ringen, genoemd naar een Italiaanse adellijke familie, zijn gedrieën onlosmakelijk met elkaar verbonden, maar als je één van de drie ringen verwijdert, blijken de overige twee automatisch ook los te komen. De ultrakoude atomen die dr.ir. Servaas Kokkelmans beschrijft, manifesteren zich volgens hem soms op vergelijkbare wijze. Enthousiast vertelt hij over dit bijzondere gedrag: “Onder bepaalde omstandigheden gedragen atomen zich in drietallen als Borromeaanse ringen: ze zijn met z’n drieën aan elkaar gebonden, zonder dat twee atomen onderling aan elkaar vastzitten. Als je één atoom van het drietal losmaakt, hou je drie losse atomen over.”

Binnen de fysica worden deze Borromeaanse moleculen Efimov-trimeren genoemd. De Russische fysicus Vitaly Efimov voorspelde het bestaan van dit soort drietallen al in 1970, maar dan voor een heel ander systeem. Efimov was kernfysicus en werkte indertijd aan een beschrijving van de kern van het tritiumatoom, een vorm van zwaar waterstof. Die kernen zijn opgebouwd uit twee neutronen en een proton. Om het probleem te vereenvoudigen besloot hij de tritiumkern in eerste instantie te beschrijven alsof het uit drie identieke deeltjes bestond.

Efimov concludeerde dat -onder bepaalde omstandigheden- de drie identieke deeltjes geen duo’s zouden vormen, maar wel stabiele trio’s. Dit effect zou volgens Efimov niet alleen voor kerndeeltjes bestaan, maar ook voor atomen en zelfs moleculen. Kokkelmans: “Efimov voorspelde het bestaan van trimeren voor deeltjes die onderling een sterke wisselwerking vertonen. Dat was een prachtige voorspelling, maar Efimov werd destijds niet serieus genomen en hij heeft op een gegeven moment zelfs teleurgesteld de fysica verlaten.”

Diverse decennia verstreken zonder dat Efimovs theorie werd bevestigd. Totdat men een jaar of vijf geleden zo ver was met het afkoelen en manipuleren van atomen dat in het lab precies de omstandigheden konden worden gecreëerd waarbij het Efimov-effect zou optreden. Na 35 jaar bleek de voorspelling van Efimov tóch te kloppen, toen onderzoekers in Innsbruck een wolkje cesiumatomen wisten af te koelen tot een fractie van een graad boven het absolute nulpunt. Met een laserbundel hielden ze dit ultrakoude gaswolkje gevangen, terwijl ze het blootstelden aan een magnetisch veld. Kokkelmans: “Door de sterkte van het magneetveld te variëren, kun je de krachten tussen de atomen beïnvloeden. Bij bepaalde waardes van het magneetveld wordt de wisselwerking zo sterk dat het Efimov-effect optreedt en zie je dat er trio’s ontstaan. Het is heel bijzonder dat een effect dat voorspeld is voor kerndeeltjes ook optreedt bij koude atomen, waarvoor de betrokken energieën wel achttien ordes van grootte lager liggen.”

Servaas Kokkelmans is een expert in de theorie van ultrakoude atomen. Hij studeerde en promoveerde aan de TU/e-faculteit Technische Natuurkunde. Na uitstapjes naar het JILA-instituut in het Amerikaanse Boulder en de Ecole Normale Supérieure in Parijs, kwam hij in 2004 met een Vidi-beurs terug naar de TU/e. Kokkelmans leidt hier tegenwoordig zijn eigen theoriegroep binnen de vakgroep Coherence and Quantum Technology. De afgelopen jaren stak hij veel tijd in het beschrijven van het Efimov-effect in wolkjes ultrakoude atomen. “Efimovs theorie is universeel. Dat wil zeggen dat de eigenschappen van de Efimov-trimeren niet afhangen van de details van de krachten tussen de deeltjes. Toch leek uit de metingen van enkele gerenommeerde onderzoeksgroepen dat die universaliteit niet opging.”

Kokkelmans was echter wel overtuigd van deze universaliteit en besloot in samenwerking met Lev Khaykovich van de Israëlische Bar-Ilan universiteit een experiment te doen met lithiumatomen. Kokkelmans berekende voor lithium precies bij welke waardes van het magneetveld het Efimov-effect zou moeten optreden. In Israël vond Khaykovich in een ultrakoud wolkje lithium inderdaad het voorspelde gedrag bij het juiste magneetveld.

Dat Kokkelmans en zijn collega’s het universele gedrag waarnamen, terwijl Amerikaanse collega’s hiervoor in precies hetzelfde systeem geen bewijs vonden, komt volgens Kokkelmans doordat zijn theoretische model geavanceerder is. “In ons model hebben we ook experimentele gegevens verwerkt. Daardoor weten wij preciezer bij welke magneetvelden de interacties tussen de atomen plotseling toenemen.” Dit effect -de zogeheten magnetische Feshbachresonanties- werd voor koude atomen overigens voor het eerst voorspeld door Kokkelmans’ leermeester, de Eindhovense emeritus hoogleraar Boudewijn Verhaar.

De berekeningen aan het Efimov-effect leverden Kokkelmans en zijn collega’s al vier publicaties op, waaronder één met student Jim Portegies, die in 2009 -mede door zijn werk met Kokkelmans- zowel bij wiskunde als bij natuurkunde met een tien afstudeerde. Ook de toekomst heeft vast nog interessante resultaten in het verschiet, denkt Kokkelmans. “Koude atomen vormen een prachtig modelsysteem. Ze bieden inzicht in allerlei fundamentele natuurkunde, zoals Efimov-fysica, maar ook superfluïditeit en supergeleiding.” (TJ)