's Werelds eerste opslagring voor neutrale moleculen
Onderzoekers van de Stichting FOM en de Katholieke Universiteit Nijmegen (KUN) hebben in het FOM-Instituut voor Plasmafysica 'Rijnhuizen' in Nieuwegein de eerste opslagring ter wereld voor neutrale moleculen gerealiseerd. Dit melden ze in het wetenschappelijk tijdschrift Nature van 10 mei. De betreffende onderzoeksgroep ontwikkelde de afgelopen twee jaar een techniek waarmee het voor het eerst mogelijk is neutrale moleculen sterk af te remmen. De zo vertraagde moleculen kunnen nu ook worden opgesloten, om er later experimenten mee te doen. De ontwikkelde opslagring is een eerste prototype dat aantoont dat het principe werkt. Het resultaat opent onder andere perspectieven voor zeer goed gecontroleerde botsingsexperimenten.
In de wereld van de deeltjesversnellers zijn opslagringen heel gewoon. Ze worden gebruikt om deeltjes in gewenste hoeveelheden en met gewenste eigenschappen voor botsingsexperimenten in op te slaan. Deze deeltjes zijn elektrisch geladen en worden met behulp van magneten bij elkaar gehouden. In de wereld van de atoomfysica worden met behulp van licht (lasers) neutrale atomen afgeremd (ofwel afgekoeld) en in zogeheten vallen opgesloten. Dit vakgebied van koude atomen heeft de laatste tien jaar een geweldige vlucht genomen.
Afremmer voor neutrale moleculen
Neutrale moleculen laten zich moeilijk door magneetvelden vangen en hebben een te ingewikkelde energiehuishouding om met licht te worden afgeremd. Toch zouden natuurkundigen en scheikundigen graag over koude moleculen willen beschikken. Bij lage temperaturen gedragen moleculen zich heel anders ten opzichte van elkaar dan bij bijvoorbeeld kamertemperatuur en dat kan heel nieuwe inzichten over moleculen opleveren. De onderzoeksgroep van FOM en KUN heeft een manier gevonden om neutrale moleculen toch af te remmen en nu ook zelfs op te sluiten. Ze gebruiken zogenaamde dipolaire moleculen. Dergelijke moleculen zijn als geheel elektrisch neutraal, maar hebben een dusdanige ruimtelijke ladingsverdeling dat één kant van het molecuul effectief iets positief is en de andere kant iets negatief. De meest bekende voorbeelden zijn het watermolecuul (H2O) en het ammoniakmolecuul (NH3). Door hun dipolaire karakter zijn deze moleculen, mits goed georiënteerd en in een bepaalde energietoestand gebracht, gevoelig voor elektrische velden. Daar maken de onderzoekers gebruik van. Ze hebben een zogeheten Stark-afremmer ontworpen, een soort omgekeerde versneller. De afremmer bestaat uit 63 trapjes die ontstaan doordat de moleculen een zeer groot elektrisch veld in bewegen. Een molecuul dat die trapjes achter elkaar passeert, voelt dat als 63 keer een bergje opgaan. Daarbij verliest het molecuul elke keer een beetje bewegingsenergie.
De opslagring
In de meest recente experimenten in Rijnhuizen hebben de onderzoekers ammoniakmoleculen gebruikt, waarin het gewone waterstof was vervangen door zwaarwaterstof (ND3). Die laten zich beter afremmen dan gewone ammoniakmoleculen. Met behulp van een gepulste, gekoelde klep worden pakketjes moleculen gemaakt, die vervolgens met een gemiddelde snelheid van 275 meter per seconde de Stark-afremmer invliegen. De moleculen komen er aan het eind, gegroepeerd in pakketjes, met een snelheid tussen 76 en 110 meter per seconde weer uit. Dit lijkt nog steeds heel snel, maar deze snelheid komt overeen met de meest waarschijnlijke snelheid bij een temperatuur van slechts enkele graden boven het absolute nulpunt. Deze moleculen worden daarna de opslagring ingestuurd. De opslagring (zie foto) bestaat uit zes ringvormige staven gemonteerd in een vacuümopstelling. De hoogspanning die wordt aangelegd op de staven zorgt voor een elektrisch veld dat een kracht uitoefent op de moleculen, waardoor ze keurig in een cirkelvormige baan worden gehouden. Bij een gegeven elektrische veldsterkte geldt dat hoe groter de snelheid van de moleculen is, des te groter de straal van de ring moet zijn. Met de afremmer kan de snelheid naar wens worden ingesteld en daardoor precies passend worden gemaakt op de eigenschappen van de ring. De afremmer kan moleculen leveren met een spreiding in de snelheid van niet meer dan 5 meter per seconde. Voor veel experimenten hoeven de moleculen niet stil te staan; vrijwel dezelfde snelheid in dezelfde richting is goed genoeg.
Naar een betere opslagring
Het prototype van de ring dat in Rijnhuizen is gebouwd, meet slechts 25 centimeter in doorsnede. Het is bedoeld om te laten zien dat het principe werkt. Uit metingen blijkt dat de ND3-moleculen die afgeremd zijn tot 89 meter per seconde zelfs na zes rondjes nog waarneembaar zijn. Als gevolg van de resterende spreiding in de snelheid smeert het pakketje moleculen wel steeds verder uit, waardoor het na ieder volgend rondje moeilijker te meten is. De volgende stap in de experimenten is gericht op het minimaliseren van dit effect, zodat de moleculen zo lang mogelijk bij elkaar blijven. Om dat te verwezenlijken moet een toekomstige ring uit aparte secties worden opgebouwd. Dat biedt tevens mogelijkheden om de moleculen nog verder af te koelen en zeer goed gecontroleerde botsingsexperimenten uit te voeren.
Meer informatie bij drs. Floris Crompvoets (e-mail florisc@rijnh.nl), drs. Rick Bethlem (rick@rijnh.nl), dr. Rienk Jongma (e-mail jongma@rijnh.nl) of prof.dr. Gerard Meijer (e-mail gerardm@rijnh.nl), telefoon (algemeen) (030) 609 69 99.