Foton lijmt twee heliumatomen tot reuzenmolecuul
Een team van wetenschappers van de Ecole Normale Supérieure (ENS) in Parijs, het FOM-Instituut voor Plasmafysica Rijnhuizen in Nieuwegein en Calvin College in de Verenigde Staten heeft in een experiment een nieuw reuzenmolecuul gemaakt en gedetecteerd. Het merkwaardige molecuul is opgebouwd uit twee heliumatomen. Tot verrassing van de onderzoekers explodeert dit reuzenmolecuul niet, hoewel het een grote hoeveelheid energie bezit. De wetenschappers konden daardoor precieze metingen aan het metastabiele molecuul verrichten. Hun resultaten verschenen op 15 augustus 2003 in het gerenommeerde Physical Review Letters.
Metastabiele reuzenmoleculen
Een metastabiel heliummolecuul bezit een uitzonderlijk grote hoeveelheid interne energie. Een dergelijk molecuul kan enige tijd stabiel blijven, maar zal vroeger of later uit elkaar spatten als een miniatuurtijdbom. Utrechtse en Amsterdamse wetenschappers zagen vier jaar geleden voor het eerst metastabiele heliummoleculen. In hun experimenten vielen de moleculen na korte tijd uiteen in een hagel van geladen deeltjes. Daardoor waren de metingen aan het molecuul niet nauwkeurig genoeg om iets te weten te komen over de eigenschappen van de reuzenmoleculen en de interacties tussen de heliumatomen. Op basis van deze experimenten hebben de wetenschappers in Parijs met succes stabielere reuzenmoleculen gemaakt. Eén van de belangrijkste verschillen met het experiment van hun Amsterdamse en Utrechtse collega's is dat zij de temperatuur waarbij ze de moleculen maakten met een factor honderd verlaagden.
Atomen lijmen
Om het metastabiele molecuul te maken, hebben de wetenschappers eerst een wolk van ongeveer één miljard heliumatomen gevangen in een magnetisch veld. Vervolgens koelden zij de wolk tot een temperatuur van ongeveer tien miljoensten van een graad boven het absolute nulpunt (-273 graden Celsius). Er zijn dan nog ongeveer tien miljoen atomen over. Elk heliumatoom bevindt zich dan in een metastabiele toestand en heeft een lange levensduur. De interne energie van deze metastabiele atomen is twintig electronvolt. Dat is veel: duizend keer zoveel als de interne energie van een watermolecuul bij kamertemperatuur. De interne energie is daarmee meer dan tien miljard keer groter dan de gemiddelde kinetische energie (bewegingsenergie) van het atoom. In deze toestand staan de heliumatomen dus bijna geheel stil.
Vervolgens lijmen de wetenschappers twee heliumatomen aan elkaar met een laser. Bij dit proces, dat fotoassociatie genoemd wordt, zorgt een foton voor een sterke aantrekking tussen de twee atomen. De resulterende moleculen zijn extreem lang. Ze zijn honderd tot duizend keer zo groot als een watermolecuul, dat een afmeting heeft van 1 Ångström (1 Ångström is 10 -10 meter). Juist dit uitgestrekte karakter zorgt voor stabiliteit: de twee atomen komen namelijk nooit dicht genoeg bij elkaar om elkaar uit evenwicht te brengen. In normale botsingen tussen twee losse metastabiele heliumatomen verliezen deze vaak hun totale hoeveelheid interne energie van veertig electronvolt, waarbij een hagel van geladen deeltjes ontstaat. Het atoompaar dat de wetenschappers in Parijs maakten is beschermd tegen deze vorm van destructieve ionisatie. Het foton zorgt op korte afstand voor afstoting tussen de atomen en op lange afstand voor aantrekking. Het is als het ware een veer en de atomen vibreren op een afstand van honderd tot duizend Ångström. Het nieuwe reuzenmolecuul blijft bestaan totdat het na ongeveer vijftig nanoseconden (1 nanoseconde is 10 -9 seconde) spontaan het foton weer uitzendt en de originele onafhankelijke metastabiele heliumatomen weer ontstaan.
Tot hun grote verrassing ontdekten de onderzoekers dat de beide atomen tijdens het uit elkaar vallen van het molecuul een heel klein beetje kinetische energie winnen. Voor het experiment is dit een groot voordeel. Deze extra energie wordt namelijk omgezet in extra thermische energie in de wolk heliumatomen. De temperatuur van de wolk gaat omhoog en dat is een duidelijk te meten signaal dat fotoassociatie plaatsvindt.
Het internationale team heeft voor de metingen verschillende specifieke frequenties van de laser gebruikt. Zo konden ze met grote nauwkeurigheid de krachten tussen de atomen meten. De resultaten bevestigen theoretische berekeningen aan het heliumatoom.
Bose-Einsteincondensatie van helium
In de nabije toekomst hopen de wetenschappers de krachten tussen atomen met nog grotere nauwkeurigheid te bepalen. Ze willen dat doen door de beide atomen met meer dan één foton aan elkaar te plakken. Deze sterkere binding biedt de mogelijkheid om aan meer eigenschappen van het heliumatoom te meten. De resultaten zijn van belang voor het onderzoek naar Bose-Einsteincondensatie van helium, dat Franse wetenschappers in Parijs uitvoeren.
Daarnaast willen de wetenschappers kijken naar wat er gebeurt als ze de eigenschappen van het foton, de lijm, veranderen. Veranderen daardoor de eigenschappen van de reuzenmoleculen of gebeurt er niets?
Voor de redactie:
Het artikel in Physical Review Letters (vol 91, issue 7, artikel 073203) is getiteld 'Giant helium dimers produced by photoassociation of ultracold metastable atoms'. Auteurs zijn J. Léonard, M. Walhout, A.P. Mosk, T. Müller, M. Leduc and C. Cohen-Tannoudji.
Voor meer informatie kunt u contact opnemen met dr. Allard Mosk, e-mail: mosk@rijnh.nl, telefoon: (053) 489 53 92 of dr. Jeremie Leonard, e-mail: leonard@lkb.ens.fr.