Koude wolk natriumatomen laat warmtetransport eindelijk meten
FOM-promovendus Robert Meppelink heeft voor het eerst de thermische geleidingseigenschappen gemeten van een koude wolk natriumatomen, een zogenaamd Bose-Einstein condensaat. Dit was lang onmogelijk doordat hiervoor een lastige combinatie van eigenschappen nodig is: veel deeltjes, maar een beperkte dichtheid van de atoomwolk. Meppelink en zijn collega's zijn daar nu voor het eerst in geslaagd door een sigaarvormige wolk te gebruiken met meer atomen dan ooit tevoren. Het warmtetransport in zo`n wolk blijkt veel sterker te zijn dan verwacht op basis van een theoretische beschrijving van soortgelijke systemen. Dit resultaat leidt tot nieuwe inzichten in de te verwachten efficiëntie van een continue atoomlaser. Daarnaast lijken de eigenschappen van het gebruikte systeem sterk op die van supervloeibaar helium en dit werk vormt dus ook een opmaat voor verder onderzoek naar processen van supervloeibaarheid. De resultaten zijn op 28 augustus 2009 gepubliceerd in het gerenommeerde Amerikaanse tijdschrift Physical Review Letters. Meppelink promoveert op 20 oktober aan de Universiteit Utrecht.
Het grootste Bose-Einstein condensaat ter wereld
Een Bose-Einstein condensaat is een laag-energetische gasvormige aggregatietoestand, die slechts voorkomt bij temperaturen nabij het absolute nulpunt. In deze toestand zijn de deeltjes niet meer van elkaar te onderscheiden. De Utrechtse onderzoekers hebben met 300 miljoen gecondenseerde atomen in elk condensaat de beschikking over het grootste Bose-Einstein condensaat ter wereld, uitgaande van optische technieken. Vlak boven het Bose-Einstein condensatiepunt hebben Meppelink en collega's de thermische geleidingseigenschappen onderzocht van een koude wolk natriumatomen.
De truc: een sigaarvormige wolk met veel atomen
Bij experimenten aan Bose-Einstein condensaten in gassen gebruiken onderzoekers wereldwijd atomen die zitten opgesloten in een magneetval. Door de lage dichtheid komen de atomen elkaar nagenoeg niet tegen. Daardoor is het niet mogelijk de warmtegeleiding te meten, want zonder botsingen tussen de atomen vindt er geen warmteoverdracht plaats. Om dit toch te kunnen onderzoeken hebben Meppelink en zijn collega’s een truc gebruikt: één richting van de wolk is veel langer gemaakt dan de andere richtingen. Hoe langer de wolk, des te langer zijn de atomen onderweg en des te meer botsingen vinden er plaats. De wolk krijgt de vorm van een sigaar, waardoor problemen met deeltjesverlies door molecuulvorming en door botsingslawines worden voorkomen. Door aan één kant van de wolk de atomen een heel klein beetje op te warmen komen deze in beweging en botsen ze onderling. Zo wordt de warmte overdragen op de andere atomen totdat het hele systeem dezelfde temperatuur heeft. Op deze wijze waren de onderzoekers toch in staat het warmtetransport te meten.
Atoomlasers en supervloeibaarheid
Met dit systeem hebben de onderzoekers voor het eerst het warmtetransport in één richting kunnen meten. Het gedrag in de twee botsingloze richtingen beïnvloedt de warmtegeleiding sterk: dat blijkt namelijk vijf maal sterker dan verwacht uit berekeningen aan een wolk waarvan het gedrag in alle drie de richtingen door botsingen wordt gedomineerd. Dit is met name een belangrijk gegeven voor de onderzoekers die proberen een atoomlaser te maken, die immers ook maar in één richting uitgestrekt wordt. Een continue atoomlaser is in feite een constante bron van Bose-Einstein condensaten en de onderzoekers die hiermee bezig zijn willen graag gebruik maken van atoomwolken met precies de eigenschappen van het systeem van Meppelink. Het excessieve warmtetransport zal de koelefficiëntie beperken door warmteoverdracht tussen het ongekoelde deel en het reeds gekoelde deel van de bundel.
Dat geeft direct de eerste praktische toepassing aan van dit onderzoek.
Daarnaast maakt het hier verkregen botsingsregime in de atoomwolk dat deze, zodra een Bose-Einstein condensaat gevormd wordt, sterk lijkt op een systeem met supervloeibaar helium. Al sinds 1920 wordt onderzoek gedaan naar supervloeibaarheid, maar dat kan veel beter in het nu ontwikkelde systeem doordat de theoretische beschrijving van Bose-Einstein gecondenseerde gaswolken eenvoudiger is dan van condensaten in een vloeistof. Dit onderzoek is dan ook een opmaat voor de metingen die de analoge processen van supervloeibaar helium laten zien.
Meppelink voerde het onderzoek uit in de Utrechtse 'Atom Optics' groep van prof.dr. Peter van der Straten binnen de FOM-projectruimte 'Low-dimensional Bose gases in optical lattices' en promoveert op 20 oktober 2009 aan de Universiteit Utrecht.
Referentie
Het volledige artikel staat online op: http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.103.095301
25 August 2009, issue 9 of Volume 103, article 095301 by Robert Meppelink, Rob van Rooij, Johnny Vogels en Peter van der Straten
Meer informatie
Voor meer informatie kunt u contact opnemen met:
Robert Meppelink, telefoon (030) 253 28 46.
Gabby Zegers, Stichting FOM, telefoon (030) 600 12 08.