Moleculen stilgezet en opgesloten
Als eersten ter wereld zijn onderzoekers van het FOM-Instituut voor Plasmafysica Rijnhuizen in Nieuwegein en de Katholieke Universiteit Nijmegen er in geslaagd met een elektrostatisch veld neutrale moleculen op te sluiten. Dit blijkt uit een publicatie in Nature van 3 augustus 2000.
Onder normale omstandigheden voeren atomen en moleculen een wilde zigzag-beweging uit in alle richtingen. De verdeling van snelheden waarmee dat gebeurt is een maat voor de temperatuur. Bij kamertemperatuur bewegen moleculen zich met de snelheid van geweerkogels. Deze snelheid maakt het lastig sommige eigenschappen van atomen of moleculen in detail te bestuderen. Dat verandert wanneer natuurkundigen en chemici de beweging van moleculen en atomen sterk weten te verminderen. In het jargon heten de deeltjes dan koud. Bovendien verwachten de onderzoekers allerlei nieuwe effecten te zien wanneer ze koude moleculen voor langere tijd kunnen opsluiten.
Koude atomen zijn de afgelopen tien jaar een belangrijk onderwerp geworden in de natuurkunde, met als hoogtepunten het realiseren van Bose-Einsteincondensatie in 1995 en de toekenning van de Nobelprijs voor de natuurkunde voor laserkoeling van atomen in 1997. Voor het afkoelen en opsluiten van moleculen zijn echter andere technieken nodig, waarvan er tot vorig jaar twee bekend waren. Deze technieken zijn alleen veel minder efficiënt dan laserkoeling en bovendien slechts toepasbaar op een klein aantal moleculen.
De onderzoekers Rick Bethlem (KUN), Giel Berden (KUN), Floris Crompvoets (FOM), Rienk Jongma (KUN/FOM), André van Roij (KUN) en Gerard Meijer (FOM) hebben nu een methode ontwikkeld waarmee een heel nieuwe klasse van moleculen kan worden afgekoeld en opgesloten. Bovendien lijkt deze techniek beter in staat met grote hoeveelheden moleculen te werken, waardoor een heel nieuw onderzoeksterrein kan worden ontsloten. Een nog te bouwen grote opstelling in het FOM-Instituut Rijnhuizen zal naar verwachting danook spraakmakende nieuwe experimenten mogelijk maken.
Moleculen tot stilstand gebracht
Vorig jaar kwamen de onderzoekers al in het nieuws toen zij er in slaagden koolmonoxidemoleculen af te remmen van 220 meter per seconde tot 54 meter per seconde. Dit laatste komt overeen met slechts 6 procent van de oorspronkelijke energie van die moleculen. Hiermee toonden zij aan dat het principe van hun methode, gebaseerd op een zogenaamde 'Stark-afremmer', werkte. De moleculen bewogen echter nog te hard om ze in een val te kunnen opsluiten. Desalniettemin waren de resultaten bijzonder genoeg voor twee publicaties in Physical Review Letters.
De onderzoekers zijn er nu in geslaagd ND3 -moleculen af te remmen van 260 meter per seconde tot slechts 13 meter per seconde. ND3 (ammoniak waarin de waterstofatomen vervangen zijn door - zwaardere - deuteriumatomen) is verkozen boven normaal ammoniak omdat het efficiënter kan worden afgeremd. De ND3-moleculen werden vervolgens stilgezet in de val en gedurende bijna een seconde opgesloten. De opsluittijd wordt beperkt door het relatief slechte vacuüm in de huidige opstelling; dit kan echter vrij eenvoudig verbeterd worden. Hoewel de dichtheid aan moleculen bekend is, kan niet precies worden gezegd hoeveel moleculen in de val werden opgesloten. Dat is afhankelijk van de temperatuur in de val en die is tot op heden niet nauwkeurig bekend. De bovengrens ligt echter op enkele honderdduizenden moleculen.
Neutrale moleculen afremmen
Geschikte kandidaten voor afremexperimenten zijn moleculen die een dipoolmoment bezitten. Zij hebben een duidelijk elektrisch positief en elektrisch negatief geladen deel. Hoewel ze in hun geheel neutraal zijn, reageren ze door die ladingsscheiding wel op een elektrisch veld. Bekende voorbeelden van deze klasse van moleculen zijn water, ammoniak en keukenzout.
Het principe van de afremmer is gebaseerd op de Stark-energie, de verandering van interne energie die dipoolmoleculen ondergaan in een elektrisch veld. Moleculen in de juiste quantumtoestand ondervinden een toename van de Stark-energie wanneer ze zich in het elektrisch veld begeven; ze lopen als het ware tegen een 'bergje' op. Dit leidt tot een geringe afname van de bewegingsenergie van de moleculen. Ze koelen dan af.
Het verlies aan bewegingsenergie is blijvend als het elektrisch veld wordt uitgeschakeld vóórdat de moleculen dit hebben verlaten. Door ze vervolgens opnieuw in een elektrisch veld te brengen en dat op tijd uit te schakelen, wordt het remproces herhaald. Uiteindelijk kan zo de snelheid van de moleculen willekeurig klein worden gemaakt.
De val voor koude moleculen
In de Stark-afremmer waarover de onderzoekers momenteel beschikken, doorlopen de moleculen 63 keer een elektrisch veld, waarna ze nog een snelheid van 13 meter per seconde over hebben. Vervolgens vliegen ze een zogenaamde quadrupoolval binnen. Tijdens het 'vullen' van deze val zijn de elektrische velden zodanig dat de moleculen nog een laatste 'berg' moeten beklimmen. Hun snelheid is zo gekozen dat ze precies in het midden van de val tot stilstand komen.
Op dat moment klapt de val dicht door snelle aanpassing van het elektrisch veld. In minder dan 1 microseconde (één miljoenste seconde) verandert de 'berg' in een 'put'. De koude moleculen zijn dan, geïsoleerd in vacuüm, door het elektrische veld opgesloten. De verblijftijd en de resterende beweging van het pakketje moleculen in de val kan met behulp van laserdetectietechnieken worden gevolgd.
Onderzoek aan koude moleculen
De lengte en maximaal haalbare veldsterkte van de huidige afremmer leggen de nodige beperkingen op voor wat betreft het te kiezen molecuul en de bereikbare afkoeling. In het FOM-Instituut Rijnhuizen wordt daarom sinds januari gewerkt aan een afremmer die ruim 1 meter lang moet worden, waarin grotere veldsterktes (tot 250 kilovolt per centimeter) kunnen worden gehaald. Hierin zal een keur aan dipoolmoleculen tot elke gewenste snelheid kunnen worden afgeremd.
Deze nieuwe afremmer zal met name worden gebruikt voor verdere experimenten met een val, voor uiteenlopende vormen van botsingsexperimenten en voor het tijdelijk bewaren van pakketjes koude moleculen door ze een opslagring in te schieten. De sterk afgeremde moleculen kunnen worden gebruikt om, naast nauwkeurige spectroscopie aan het molecuul zelf, beter dan ooit hun onderlinge interactie te bestuderen en collectieve quantumeffecten te onderzoeken. Daarover is zowel theoretisch als experimenteel nog zeer weinig bekend.
Voor meer informatie: prof.dr. Gerard Meijer, directeur van het FOM-Instituut voor Plasmafysica Rijnhuizen, telefoon (030) 609 67 43; drs. Rick Bethlem, promovendus aan de KU Nijmegen, telefoon (024) 365 30 27 of dr. Rienk Jongma, projectleider 'Koude moleculen' in het FOM-Instituut Rijnhuizen, telefoon (030) 609 67 32.