Een miljoen natriumatomen op een kluitje

Het bestuderen van atomen die met behulp van lasers vrijwel tot stilstand zijn gebracht is een snel groeiend nieuw vakgebied in de natuurkunde. Arjen Amelink, FOM-onderzoeker aan de Universiteit Utrecht, promoveerde op 2 februari op onderzoek aan botsingen tussen natriumatomen die met laserlicht sterk zijn afgeremd of afgekoeld, want beweging is immers gekoppeld aan temperatuur. Amelink heeft in een magneto-optische val (magneto-optical trap, afgekort tot MOT in het jargon) natriumatomen afgeremd van ongeveer 2000 kilometer per uur (de gemiddelde snelheid bij kamertemperatuur) tot ongeveer één kilometer per uur (enkele decimeters per seconde). Op de foto is het heldere puntje in het midden de fluorescentie die afkomt van een wolk van ongeveer een miljoen natriumatomen die bijna stilstaan.

Licht kan een kracht uitoefenen op atomen. Licht bestaat uit fotonen; die hebben geen massa maar wel impuls. Als een atoom een foton absorbeert, krijgt het een duwtje in de richting waarin het foton zich voortbewoog. Een laserbundel bestaat uit heel veel fotonen en dus krijgt een atoom in een laserbundel heel veel duwtjes in de richting van de bundel. Voor elk foton dat het atoom absorbeert, moet het er ook weer één uitzenden; daarbij krijgt het atoom een terugstoot. Het uitzenden van de fotonen gebeurt spontaan en dus in willekeurige richtingen. Daarom heeft de spontane emissie netto geen invloed op de snelheidsverandering van het atoom. Elke absorbtie-emissiecyclus werkt dus effectief één kant uit. Atomen die tegen de richting van de laserbundel in bewegen, worden zo afgeremd. Nu vertraagt een natriumatoom bij de absorptie van één foton maar 3 centimeter per seconde, wat maar weinig is ten opzichte van de ongeveer 600 meter per seconde bij kamertemperatuur. De absorptie-emissiecyclus duurt gemiddeld echter maar 32 nanoseconden. In ongeveer 1 milliseconde absorbeert een atoom in de laserbundel daarom maar liefst 20.000 fotonen en dat levert de vertraging op van ongeveer 600 meter per seconde naar vrijwel 0 meter per seconde. Deze afremming komt overeen met een vertraging die ruwweg 100.000 maal zo groot is als de versnelling van de zwaartekracht! Een mens zou zo'n vertraging nooit overleven.

In de gebruikte magneto-optische val kruisen zes laserbundels elkaar in het midden van een vacuümopstelling. Atomen met een voldoende lage snelheid worden in het overlapgebied van de drie paar onderling loodrecht lopende bundels sterk afgeremd. Een inhomogeen magneetveld drijft de afgeremde atomen naar het centrum van de opstelling waar ze worden ingevangen.

De ingevangen natriumatomen bewegen langzaam, maar botsen voortdurend met elkaar. Door het absorberen van een geschikt foton kunnen dan twee natriumatoom een gebonden natriummolecuul vormen (fotoassociatie). Dat molecuul kan door het opnemen van een ander geschikt foton rechtstreeks of in twee stappen ioniseren, waarbij een elektron vrijkomt. Amelink heeft een model ontwikkeld dat het ionisatiemechanisme van de atomen in de MOT zeer goed blijkt te verklaren. Zijn onderzoek helpt dus goed te begrijpen wat er in zo'n wolk sterk afgeremde natriumatomen onder invloed van laserlicht gebeurt.