Een elektrische val voor zware moleculen

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 het lukt de beweging van moleculen en atomen sterk weten te verminderen. In het jargon heten de deeltjes dan koud. Bovendien verwachten onderzoekers allerlei nieuwe effecten te zien wanneer ze koude moleculen voor langere tijd kunnen opsluiten.

Koude moleculen maken
Koude atomen zijn de afgelopen tien jaar een belangrijk onderwerp geworden in de natuurkunde, met als hoogtepunten het realiseren van Bose-Einsteincondensatie in 1995 (bekroond met de Nobelprijs voor de natuurkunde in 2001) en het realiseren van laserkoeling waarvoor in 1997 de Nobelprijs voor de natuurkunde werd toegekend. Voor het afkoelen en opsluiten van moleculen zijn echter andere technieken nodig. Deze technieken zijn alleen veel minder efficiënt dan laserkoeling en bovendien slechts toepasbaar op een klein aantal moleculen. Onderzoekers van het FOM-Instituut voor Plasmafysica Rijnhuizen en de Radboud Universiteit Nijmegen hebben de afgelopen jaren een nieuwe efficiënte manier (zie deze website) ontwikkeld om met behulp van elektrische velden neutrale moleculen af te remmen en op die manier sterk af te koelen. 

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.

Afremmen met elektrische velden
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. Deze moleculen kunnen dan uiteindelijk opgesloten worden in een minimum van het elektrische veld. Voor moleculen in de laagste quantumtoestand (hun normale situatie) werkt dit echter niet. Dat komt omdat deze moleculen juist door een maximum van het elektrische veld worden aangetrokken. 

Elektrisch zadel vangt zware moleculen
Intussen is de experimentele opstelling van Rijnhuizen met de vroegere directeur Gerard Meijer verhuisd naar het Fritz-Haber-Institut van de Max Planck Gesellschaft in Berlijn. Daar hebben Jacqueline van Veldhoven en Rick Bethlem (beiden FOM) en Gerard Meijer nu een oplossing gevonden voor het vangen van moleculen in hun laagste energietoestand. De onderzoekers maken elektrische velden die een minimum hebben in de lengterichting van de val en een maximum daar loodrecht op, of precies andersom. Zo'n veld heeft de vorm van een zadel (zie de figuur). Eerst remmen ze de ammoniakmoleculen die ze in hun experiment gebruiken, af door ze in een aangeslagen toestand te brengen. Daarna brengen ze de moleculen met behulp van microgolven naar hun laagste quantumtoestand. Moleculen in deze toestand worden aangetrokken door een maximum van het elektrisch veld. Door nu snel te schakelen tussen twee zadelconfiguraties worden de ammoniakmoleculen afwisselend afgestoten of aangetrokken door het middelpunt van de val. Door op de juiste frequentie te schakelen ontstaat een stabiele val voor polaire moleculen in alle quantumtoestanden, dus ook de laagste. Moleculen in deze toestand kunnen door botsingen met andere opgesloten moleculen niet van toestand veranderen en daarom ook niet uit de val ontsnappen. Dit is van groot belang voor het verder koelen van moleculen door middel van verdampingskoeling (deze techniek was essentieel voor het bereiken van Bose-Einsteincondensatie in atomaire gassen.) Bovendien kunnen ook zware moleculen, die in praktisch alle toestanden aangetrokken worden door een maximum in het elektrisch veld, in deze val worden opgesloten.

Dit opent de mogelijkheid om grote moleculen, misschien zelfs 'bio'-moleculen, op te sluiten en te bestuderen over langere tijden en is belangrijk voor experimenten die zware moleculen gebruiken voor het testen van fundamentele natuurkundige theorieën. Op het Fritz-Haber-Institut is een opstelling in aanbouw waarmee biomoleculen afgeremd kunnen worden. Verder zijn Bethlem en Meijer betrokken bij de bouw van een afremmer voor ytterbiumfluoride (YbF) door een onderzoeksgroep in Londen. Dit molecuul is heel gevoelig voor bepaalde effecten die worden voorspeld door de theorie van de supersymmetrie en kan daarom worden gebruikt om het Standaardmodel voor elementaire deeltjes en hun onderlinge wisselwerkingen te toetsen. Met opgesloten YbF wint dit experiment enorm aan precisie.

Meer informatie bij dr. Rick Bethlem, telefoon (020) 465 12 86.