Print deze pagina 23 augustus 1999 1999/06

Een nieuwe methode om neutrale moleculen af te remmen

Natuurkundigen kunnen al enige tijd met succes atomen afremmen tot ze vrijwel stilstaan. Een spectaculair resultaat daarvan is de waarneming van Bose-Einsteincondensatie. Het afremmen van moleculen is veel moeilijker. Rick Bethlem, Giel Berden en Gerard Meijer van de Katholieke Universiteit Nijmegen hebben nu een soort omgekeerde versneller bedacht waarmee ze koolmonoxidemoleculen hebben weten af te remmen van 225 meter per seconde tot 98 meter per seconde. Zij publiceerden hierover in de Physical Review Letters van 23 augustus van dit jaar.

De 'Stark-afremmer' zoals de onderzoekers hun slechts 35 centimeter lange constructie noemen, maakt gebruik van het feit dat veel moleculen een elektrische dipool zijn. Dat wil zeggen dat binnen die moleculen een duidelijke scheiding is van positieve en negatieve elektrische lading. Het bekendste voorbeeld van zo'n molecuul is water. Andere voorbeelden zijn keukenzout (NaCl), ammoniak (NH₃) en ook koolmonoxide (CO). Dergelijke moleculen nemen, wanneer ze in een geschikte quantumtoestand verkeren, een beetje energie op als ze een elektrisch veld inlopen. Die energie wordt de Stark-energie genoemd. Wanneer ze deze energie opnemen, verliezen ze een klein beetje bewegingsenergie en gaan dus minder snel bewegen. Ze koelen dus wat af, want bewegingsenergie is immers een maat voor de temperatuur. Het verlies aan bewegingsenergie is blijvend, indien het elektrisch veld wordt uitgeschakeld voordat het molecuul dat veld verlaten heeft. Wanneer het vervolgens opnieuw in een elektrisch veld terecht komt, verliest het weer een beetje bewegingsenergie. Zo kan het molecuul door opeenvolgende elektrische velden steeds verder worden afgeremd.

De Nijmeegse onderzoekers hebben, met financiële steun van FOM, een soort ladder gebouwd waarin gelijktijdig 63 opeenvolgende elektrische veldjes kunnen worden aangelegd. Een molecuul dat langs die ladder loopt, ondergaat steeds een beetje vertraging. Op die manier zijn CO-moleculen afgeremd tot een snelheid van 98 meter per seconde. Dit komt overeen met slechts eenvijfde van hun oorspronkelijke energie. Verdere vertraging tot snelheden van onder de 10 meter per seconde, corresponderend met een sub-kelvintemperatuur, is in principe mogelijk.

Gerard Meijer, hoogleraar molecuul- en laserfysica in Nijmegen, verwacht dat de fysica van koude moleculen de komende tien jaar een grote ontwikkeling zal doormaken. Sterk afgeremde moleculen kunnen worden gebruikt om beter dan ooit botsingen tussen moleculen en quantumeffecten van grote aantallen moleculen tegelijk te onderzoeken, spectroscopie zonder 'last' van het Dopplereffect te kunnen bedrijven, nieuwe frequentiestandaarden te ontwikkelen en allerlei dingen te doen die nu al met sterk afgekoelde atomen worden gedaan. Daarnaast is de Stark-afremmer ook uitermate geschikt als injector voor een, nog niet bestaande, opslagring voor neutrale moleculen.