Botsende Bose-Einstein-condensaten leveren informatie over hun interne structuur
Onderzoekers van het FOM-Instituut voor Atoom- en Molecuulfysica (AMOLF) en het Van der Waals-Zeeman Instituut van de Universiteit van Amsterdam hebben als eersten directe afbeeldingen weten te maken van de interferentiepatronen die ontstaan wanneer twee Bose-Einstein-condensaten met elkaar in botsing zijn gekomen. Zo'n condensaat is een wolkje extreem afgekoelde atomen dat zich als één geheel gedraagt. Uit slechts enkele afbeeldingen van een botsing en met een minimum aan theorie blijkt veel informatie te achterhalen over de wisselwerking tussen afzonderlijke atomen in een condensaat. Dit is een nieuwe methode om de wisselwerking tussen atomen in zogeheten quantumgassen en de interne structuur van een Bose-Einstein-condensaat te karakteriseren. De experimenten worden gedaan in een miniatuurversneller voor condensaten. De onderzoekers publiceerden hun bevindingen in de editie van Physical Review Letters die in de week van 22 oktober 2004 on-line is gegaan.
In 1924 stuurde de Indiase natuurkundige S.N. Bose een artikel naar Albert Einstein waarin hij liet zien hoe je de verdelingswet van Planck voor fotonen helemaal kunt afleiden op basis van statistische argumenten, zonder dat je daarbij klassieke elektrodynamica nodig hebt. Einstein zag het belang van het artikel onmiddellijk, zorgde dat het gepubliceerd werd en ging zelf ook aan het rekenen, niet alleen aan de massaloze fotonen, maar ook aan atomen. Hij publiceerde erover in 1924 en 1925 en concludeerde dat atomen, wanneer ze maar voldoende ver worden afgekoeld, niet volgens het klassieke beeld geheel tot stilstand komen maar een nieuwe verschijningsvorm van materie zullen aannemen: een condensaat dat zich gedraagt als ware het één atoom. Sindsdien staat deze verschijningsvorm bekend als Bose-Einstein-condensaat (afgekort tot BEC). In 1995 wisten onderzoekers van het JILA bij de Universiteit van Colorado in Boulder en later dat jaar onderzoekers van Massachussetts Institute of Technology in Cambridge, Massachussetts voor het eerst zo'n condensaat te realiseren. De drijvende krachten achter de experimenten, Carl Wieman, Eric Cornell en Wolfgang Ketterle kregen er in 2001 de Nobelprijs voor de natuurkunde voor. Inmiddels kunnen groepen over de hele wereld BEC's maken en manipuleren. BEC's leveren unieke mogelijkheden om in een kleine opstelling in een gewoon laboratorium het gedrag van materie nabij het absolute nulpunt te bestuderen.
Een van de plaatsen waar dat gebeurt is Amsterdam. Onderzoekers van het FOM-Instituut voor Atoom- en Molecuulfysica (AMOLF) en het Van der Waals-Zeeman Instituut van de Universiteit van Amsterdam laten twee BEC's met elkaar botsen en dat levert directe informatie op over de wisselwerking tussen afzonderlijke atomen in de condensaten, zo blijkt. Christian Buggle, Jérémie Léonard, Wolf von Klitzing en Jook Walraven beschrijven hun experimenten in een artikel in Physical Review Letters, dat op 22 oktober on-line gepubliceerd werd. Eerst koelen ze zo'n drie miljard rubidiumatomen in een zogeheten magneto-optische val extreem af, waardoor alle atomen zich op de bodem van de val in één wolk ophopen. Met verdere afkoeling door verdamping van de buitenkant van de wolk en magnetische manipulatie slagen de onderzoekers er uiteindelijk in de wolk te splitsen in twee kleinere, identieke wolken. Die hebben een temperatuur van ongeveer één microkelvin, een paar duizendsten van een graad boven het absolute nulpunt. Elke wolk bestaat nu uit 100.000 atomen en is ongeveer 10 micrometer (een honderdste millimeter) groot. Met opnieuw de hulp van een magneetveld drijven de onderzoekers beide wolken tot ongeveer 4 millimeter uit elkaar. Op de schaal van onze dagelijkse werkelijkheid komt dat overeen met twee tennisballen aan weerszijden van een tennisveld. Vervolgens schieten de onderzoekers de beide wolken weer naar elkaar toe. Daarbij halen ze snelheden tot 20 centimeter per seconde. Dat is voor BEC's heel snel, gezien het feit dat de geluidssnelheid in die condensaten enkele millimeters per seconde is, maar heel langzaam voor botsende atomen.
Onder deze omstandigheden treedt de quantummechanica volop in werking. Beneden hun geluidssnelheid gedragen BEC's zich als één object, een zogeheten materiegolf. Als twee BEC's op elkaar botsen, treffen twee golven elkaar en dat leidt na botsing tot een bolvormig interferentiepatroon (zie het filmpje dat dit laat zien). Binnen in de BEC's worden onder deze omstandigheden de afzonderlijke atomen echter weer 'zichtbaar'. De botsing gedraagt zich dan tegelijkertijd ook als honderdduizend keer de botsing van een atoom in de ene wolk met een atoom in de andere wolk. Daarbij manifesteert zich elke botsing tussen atomen als een treffen van twee kleine materiegolven op zich en die worden na de botsing uit de BEC's verstrooid. Dit leidt tot een driedimensionaal interferentiepatroon na de botsing.
De apparatuur die de onderzoekers ontwikkeld hebben kan worden beschouwd als een lineaire versneller voor BEC's. De energie die in deze botsingen omgaat is 10 -7 elektronvolt per atoom. In de grootste botsers bij hoge energie, zoals in CERN en het Fermilab in de VS, treffen 'tennisballen' elkaar met een energie van 10 12 elektronvolt. Zoals bij botsingen in de versnellers uit de hoge-energiefysica informatie wordt verkregen over de interne structuur van elementaire deeltjes, zo leveren BEC-versnellers informatie op over de interne structuur van Bose-Einstein-condensaten.
De Amsterdamse onderzoekers hebben nu als eersten direct afbeeldingen weten te maken van de verstrooide golven uit de BEC's én het daarbij optredende driedimensionale interferentiepatroon. Het bijzondere is dat het experiment met slechts een paar opnamen van de botsing en een minimum aan theorie toch veel kan vertellen over de wisselwerking tussen de ultrakoude atomen in de BEC's. Dit is een nieuwe methode om die wisselwerking te karakteriseren.
Meer informatie bij prof.dr. Jook Walraven, telefoon (020) 525 56 19.