Sinds zijn uitvinding, de laser is een hulpmiddel van onschatbare waarde geweest in de natuurkunde. Er wordt verwacht dat een atoomlaser - waarbij de lichtgolven worden vervangen door de kwantumgolven van atomen - even belangrijke toepassingen zou kunnen hebben, bijvoorbeeld bij het construeren van ultraprecieze klokken. Een onderzoeksteam onder leiding van UvA-onderzoeker Florian Schreck heeft inmiddels belangrijke stappen gezet op weg naar de creatie van de eerste continue atoomlaser. De resultaten van het team zijn gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven eerder deze week.

Bij een gewone laser lichtgolven vormen een zogenaamde coherente toestand:wanneer deze golven uit de laser komen, ze oscilleren allemaal op precies dezelfde manier, met dezelfde frequentie en dezelfde fase. De kwantummechanica vertelt ons dat de deeltjes waaruit we zijn gemaakt, quarks, elektronen en zelfs hele atomen, hebben ook golfachtige eigenschappen. Maar kunnen atomen ook in een coherente toestand worden gebracht? Of kan er een laser worden gebouwd waar we in plaats van licht met atomen schijnen?

Dat het theoretische antwoord op deze vraag 'ja' is, is een feit dat elke natuurkundestudent gemakkelijk kan bewijzen. In feite, het hebben van zo'n apparaat zou buitengewoon nuttig zijn:de collectieve trillingen van de atomen zouden bijvoorbeeld kunnen worden gebruikt om ultraprecieze atoomklokken te meten. Echter, de theorie omzetten in een echt functionerend apparaat is niet zo eenvoudig als het klinkt. Tot dusver, atoomlasers zijn gemaakt door een bundel atomen te extraheren uit een zogenaamd Bose-Einstein-condensaat, een gaswolk bij zeer lage temperatuur waarin alle atomen zich in dezelfde kwantumgolftoestand bevinden. Echter, de atomen in dezelfde staat brengen lost slechts een deel van het probleem op. Voor de meeste toepassingen van een atoomlaser, ze moeten continu werken. De echte uitdaging is daarom om de atomen snel genoeg in dezelfde golftoestand te brengen, zodat de atoomlaser toegang heeft tot een continue toevoer van deze coherente deeltjes.

Het creëren van een Bose-Einstein-condensaat omvat doorgaans het koelen van een gas in verschillende fasen gedurende tientallen seconden. Echter, de geëxtraheerde atoomlaserstraal duurt slechts zolang er atomen in het condensaat blijven, typisch een veel kortere tijd van slechts fracties van een seconde. Na die fractie van een seconde, er moet een nieuwe levering worden gedaan, wat weer tientallen seconden duurt - enzovoort.

Schreck en zijn team, postdoc Benjamin Pasquiou en promovendi Shayne Bennetts en Chun-Chia Chen, stellen nu voor om een ​​continue aanvoer te realiseren door de verschillende koeltrappen te scheiden in de ruimte in plaats van in de tijd. Elke fase vindt plaats op een andere locatie:de atomen worden afgekoeld door gewone lasers terwijl ze op weg zijn naar de plaats waar de uiteindelijke atoomlaserstraal zal ontstaan. Dat lukt het team door slim gebruik te maken van de bijzondere eigenschappen van strontium, een element met precies de juiste elektronische structuur om langzaam af te koelen, stap voor stap, terwijl het "in beweging" is.

Met behulp van hun methoden, Schreck en medewerkers zijn er nu in geslaagd om de eerste fasen van de continue koeling, wat leidt tot het permanente bestaan ​​van een gaswolk die veel kouder en veel dichter is dan bij enige eerdere poging. Ze toonden verder aan dat hun schema voldoende koude atomen levert om compatibel te zijn met de creatie van een continu bestaand Bose Einstein-condensaat. De laatste stap is natuurlijk om met dit permanente condensaat een atoomlaser te maken - een stap die volgens Schreck binnen een jaar moet plaatsvinden. Dat zou zijn droom in vervulling laten gaan:een atoomlaser maken die nooit hoeft te stoppen om op te laden.