Lasers produceren coherente lichtgolven:al het licht in een laser trilt volledig synchroon. Ondertussen vertelt de kwantummechanica ons dat deeltjes zoals atomen ook als golven moeten worden beschouwd. Als resultaat kunnen we "atoomlasers" bouwen die coherente golven van materie bevatten. Maar kunnen we deze materiegolven laten duren, zodat ze gebruikt kunnen worden in toepassingen? In onderzoek dat is gepubliceerd in Nature deze week laat een team van Amsterdamse natuurkundigen zien dat het antwoord op deze vraag bevestigend is.

Bosonen synchroon laten marcheren

Het concept dat ten grondslag ligt aan de atoomlaser is het zogenaamde Bose-Einstein Condensaat, of kortweg BEC. Elementaire deeltjes komen in de natuur voor in twee soorten:fermionen en bosonen. Fermionen zijn deeltjes zoals elektronen en quarks - de bouwstenen van de materie waaruit we zijn gemaakt. Bosonen zijn heel verschillend van aard:ze zijn niet hard zoals fermionen, maar zacht:ze kunnen bijvoorbeeld probleemloos door elkaar heen bewegen. Het bekendste voorbeeld van een boson is het foton, de kleinst mogelijke hoeveelheid licht. Maar materiedeeltjes kunnen ook combineren om bosonen te vormen - in feite kunnen hele atomen zich net als lichtdeeltjes gedragen. Wat bosonen zo speciaal maakt, is dat ze allemaal in exact dezelfde staat kunnen zijn op exact hetzelfde moment, of in meer technische termen geformuleerd, ze kunnen "condenseren" tot een coherente golf. Wanneer dit type condensatie optreedt voor materiedeeltjes, noemen natuurkundigen de resulterende stof een Bose-Einstein-condensaat.

In het dagelijks leven zijn we helemaal niet bekend met deze condensaten. De reden:het is erg moeilijk om atomen zich allemaal als één geheel te laten gedragen. De boosdoener die de synchroniciteit vernietigt, is de temperatuur - wanneer een substantie opwarmt, beginnen de samenstellende deeltjes rond te wiebelen en wordt het vrijwel onmogelijk om ze zich als één geheel te laten gedragen. Alleen bij extreem lage temperaturen, ongeveer een miljoenste graad boven het absolute nulpunt (ongeveer 273 graden onder nul op de schaal van Celsius), is er een kans om de coherente materiegolven van een BEC te vormen.

Vluchtige uitbarstingen

Een kwart eeuw geleden werden de eerste Bose-Einstein-condensaten gemaakt in natuurkundige laboratoria. Dit opende de mogelijkheid om atoomlasers te bouwen - apparaten die letterlijk bundels van materie produceren - maar deze apparaten waren slechts in staat om voor een zeer korte tijd te functioneren. De lasers konden pulsen van materiegolven produceren, maar na het uitzenden van zo'n puls moest er een nieuwe BEC worden gemaakt voordat de volgende puls kon worden uitgezonden. Voor een eerste stap naar een atoomlaser was dit nog niet slecht. In feite werden er ook gewone, optische lasers gemaakt in een gepulseerde variant voordat natuurkundigen continue lasers konden maken. Maar terwijl de ontwikkelingen voor optische lasers erg snel waren gegaan, de eerste continue laser werd geproduceerd binnen zes maanden na zijn gepulseerde tegenhanger, voor atoomlasers bleef de continue versie meer dan 25 jaar ongrijpbaar.

Het was duidelijk wat het probleem was:BEC's zijn erg kwetsbaar en worden snel vernietigd als er licht op valt. Toch is de aanwezigheid van licht cruciaal bij het vormen van het condensaat:om een ​​stof tot een miljoenste graad af te koelen, moet je de atomen ervan afkoelen met laserlicht. Als gevolg hiervan waren BEC's beperkt tot vluchtige uitbarstingen, zonder manier om ze coherent te ondersteunen.

Een kerstcadeau

Een team van natuurkundigen van de Universiteit van Amsterdam is er nu in geslaagd om het moeilijke probleem van het creëren van een continu Bose-Einstein-condensaat op te lossen. Florian Schreck, de teamleider, legt uit wat de truc was. "In eerdere experimenten werd de geleidelijke afkoeling van atomen allemaal op één plek gedaan. In onze opstelling hebben we besloten om de afkoelingsstappen niet in de tijd, maar in de ruimte te spreiden:we laten de atomen bewegen terwijl ze door opeenvolgende afkoelingsstappen gaan. uiteindelijk komen ultrakoude atomen in het hart van het experiment, waar ze kunnen worden gebruikt om coherente materiegolven te vormen in een BEC. Maar terwijl deze atomen worden gebruikt, zijn er al nieuwe atomen onderweg om de BEC aan te vullen. Op deze manier we kunnen het proces gaande houden - in wezen voor altijd."

Het achterliggende idee was relatief eenvoudig, maar de uitvoering ervan zeker niet. Chun-Chia Chen, eerste auteur van de publicatie in Nature , herinnert zich:"Reeds in 2012 realiseerde het team - toen nog in Innsbruck - een techniek waarmee een BEC kon worden beschermd tegen laserkoellicht, waardoor voor het eerst laserkoeling mogelijk werd tot de gedegenereerde staat die nodig is voor coherente golven Hoewel dit een cruciale eerste stap was op weg naar de lang gekoesterde uitdaging om een ​​continue atoomlaser te bouwen, was het ook duidelijk dat er een speciale machine nodig zou zijn om verder te komen. Toen we in 2013 naar Amsterdam verhuisden, begonnen we met een sprong van geloof, geleend geld, een lege kamer en een team volledig gefinancierd door persoonlijke subsidies. Zes jaar later, in de vroege uurtjes van kerstochtend 2019, stond het experiment eindelijk op het punt te werken. We hadden het idee om een ​​extra laserstraal toe te voegen om een ​​laatste technische moeilijkheid op te lossen, en onmiddellijk toonde elke foto die we maakten een BEC, de eerste continue-golf BEC."

Na het al lang bestaande open probleem van het creëren van een continu Bose-Einstein-condensaat te hebben aangepakt, hebben de onderzoekers hun zinnen gezet op het volgende doel:de laser gebruiken om een ​​stabiele uitgangsstraal van materie te creëren. Zodra hun lasers niet alleen eeuwig kunnen werken, maar ook stabiele stralen kunnen produceren, staat niets meer technische toepassingen in de weg en kunnen materielasers een even belangrijke rol gaan spelen in de technologie als gewone lasers momenteel doen. + Verder verkennen

Laserkoeling voor kwantumgassen