De ontkieming van een Bose-Einstein condensaat

In de enorme golf van onderzoek dat zich de laatste jaren heeft gericht op het verschijnsel Bose-Einstein condensatie van ijle gassen is opmerkelijk weinig experimenteel werk gedaan aan de vorming en groei van Bose-Einstein condensaten. Toch is de groei van macroscopische quantumtoestanden een belangrijk onderwerp dat zich bij uitstek laat bestuderen in ijle gassen. De lage dichtheden zorgen voor een comfortabel lange vormingstijd van het condensaat. Ook is condensatie van ijle gassen toegankelijk voor methoden uit de quantum-optica hetgeen geheel nieuwe mogelijkheden voor detectie biedt. Hierdoor kunnen experimenten gedaan worden die met traditionele superfluïde of supergeleidende systemen ondenkbaar zijn. De Nederlandse en Russische wetenschappers hebben de vraag gesteld wat zich nu precies voltrekt bij Bose-Einstein condensatie van een ijl gaswolkje in een magnetische val. Hoe ontwikkelt een quantumgas zich van een statistisch bevolkt thermisch ensemble tot een gas waarin de meeste atomen zich in één enkele coherente quantumtoestand bevinden?

Het traditionele scenario is dat beneden de kritieke temperatuur Tc het energetisch voordelig is dat het gas opsplitst in twee componenten: een macroscopische fractie van de atomen verzamelt zich in de quantummechanische grondtoestand (het condensaat) terwijl de rest van het gas thermisch is verdeeld. Voor traditionele experimenten houdt dit in dat bij Tc een nieuwe component zichtbaar wordt in het centrum van het gaswolkje. Deze component gedraagt zich, in tegenstelling tot de rest van het gas, niet als een ensemble van botsende atomen maar als een hydrodynamisch fluïdum waarvan de quantummechanische coherentie middels interferentie-experimenten kan worden vastgesteld.

Het experiment
Om Bose-Einstein condensatie te bereiken koelen de onderzoekers een sigaarvormige wolk atomen eerst langzaam af tot een temperatuur vlak boven Tc. Daarna wordt stapsgewijs (binnen in één milliseconde) voldoende energie aan de wolk onttrokken om Bose-Einstein condensatie te induceren en de groei te volgen. De koeling vindt plaats door selectief de snelste atomen uit de wolk te laten ontsnappen. Het gebeurt zo snel dat er een temperatuurgradiënt in het preparaat ontstaat met de koudste atomen aan de uiteinden (waar de dichtheid laag is) en de warmste atomen in het centrum (waar de dichtheid hoog is) van de sigaarvormige wolk. De temperatuurgradiënt zorgt ervoor dat het condensaat zich niet primair vormt in het centrum van de wolk waar de dichtheid het grootst is maar verspreid over vrijwel de hele lengte. Deze uitgerekte vorm oscilleert op zoek naar de evenwichtstoestand, zo observeerden de wetenschappers. Normaal gesproken dijt de wolk in alle richtingen uit als de magneetval wordt uitgeschakeld. Echter, als de onderzoekers op het juiste moment de magneetval uitschakelen, trekt het condensaat in axiale richting samen. Het zet alleen in radiale richting uit. Een onder invloed van de zwaartekracht vallend wolkje bereikt zo een minimale axiale lengte voordat het tenslotte expandeert. Zo slaagden de wetenschappers er als eersten in een gepulste atoomlaser te focusseren. Vervolgens bestudeerden de wetenschappers ook de eigenschappen van het focus en ontwikkelden zij een theorie om de metingen te interpreteren.

BEC ook mogelijk in geëxciteerde toestand
Met dit onderzoek toonden de wetenschappers aan dat Bose-Einstein condensatie initieel helemaal niet in de grondtoestand plaats hoeft te vinden, maar dat dit ook in geëxciteerde toestanden mogelijk is. Voor lange sigaarvormige preparaten bleek het gevormde condensaat een sterke vorm-oscillatie te vertonen. Ook bleek er een groot verschil in tijdschaal te bestaan tussen de vorming van het condensaat en het totstandkomen van de coherentie. Door aan te nemen dat Bose-Einstein condensatie optreedt als ergens lokaal de kritieke dichtheid wordt overschreven kan zowel de nucleatie in niet-evenwichtsvormen worden verklaard als de initiële afwezigheid van fasecoherentie. Na een aantal vorm-oscillaties (zie figuur 2) bereikt het condensaat zijn evenwichtsvorm en bouwt de coherentie zich op.

Meer informatie is te verkrijgen bij prof.dr. Jook Walraven, FOM-Instituut voor Atoom- en Molecuulfysica in Amsterdam.