Lasers zijn iets bijzonders in de natuurkunde. Het licht in een laser heeft maar één golflengte. Alle deeltjes gedragen zich hetzelfde en de lichtbundel die uit de laser komt heeft één richting. Dit geeft de laser zijn karakteristieke straal.
Nu zijn Nederlandse natuurkundigen erin geslaagd een straal materiegolven te maken die zich net zo gedraagt als licht in een gewone laser – een atoomlaser.
Natuurkundigen proberen al jaren atomen zich als één golf te laten gedragen. In principe is dat enkele jaren geleden ook gelukt – maar tot dusver altijd maar heel kort per keer.
De grote doorbraak van de Nederlandse natuurkundigen is dat ze een manier hebben gevonden om atomen constant als één geheel te laten bewegen.
Atomen worden gekoeld
Zoals licht in golven beweegt, zo kunnen we volgens de kwantummechanica ook atomen als golven beschouwen.
Dus waar een gewone laser coherente golven van lichtdeeltjes uitzendt, zendt een atoomlaser coherente golven van een bepaald type deeltjes uit.
De basis van de atoomlaser is het zogeheten Bose-Einsteincondensaat (BEC), een aggregatietoestand waarin een groep subatomaire deeltjes (bosonen) kan verkeren. In die toestand kun je niet meer spreken van een gas, vloeistof of vaste stof.
Het bijzondere van het BEC is dat wanneer de atomen worden afgekoeld tot rond het absolute nulpunt, -273,15 °C, er materiegolven ontstaan.
In die situatie is het mogelijk om de atomen zich als een eenheid te laten gedragen. Bij hogere temperaturen gaan de atomen in allerlei verschillende richtingen.
Illustratie van atomen die als één eenheid van golven bewegen. Er worden steeds verse atomen (blauw) toegevoegd, die worden opgenomen in het Bose-Einsteincondensaat in het midden. In werkelijkheid zijn de atomen niet zichtbaar voor het blote oog.
Verse voorraad atomen
25 jaar geleden werd de eerste atoomlaser gemaakt die materiegolven kan uitzenden.
Het zogeheten BEC werkte echter maar korte tijd, waarna het moest worden vervangen om een nieuwe puls materiegolven te kunnen uitzenden. Er moesten dus steeds nieuwe gekoelde atomen worden toegevoegd zodra de atoomstralen de laser verlieten.
Hoofdonderzoeker Florian Schreck legt uit dat dit probleem nu is opgelost door een systeem te ontwikkelen waarbinnen de atomen elkaar continu afkoelen.
‘We laten de atomen bewegen terwijl ze door opeenvolgende afkoelingsstappen gaan. Uiteindelijk arriveren er ultrakoele atomen in het hart van het experiment, waar ze kunnen worden gebruikt om coherente materiegolven te vormen in een BEC. Intussen zijn er alweer nieuwe atomen onderweg om het BEC weer op te bouwen. Zo kunnen we het proces gaande houden – in wezen voor altijd.’
Door een machine te maken met twee afzonderlijke vacuümkamers, wordt er constant een nieuwe stroom gekoelde atomen door de kamers geleid, zodat de BEC constant aangevuld wordt zonder dat de atomen vervallen. De deeltjes worden afgekoeld met laserlicht.
De machine kan daardoor oneindig werken terwijl hij stabiele materiegolven uitzendt.
In principe kan de nieuwe atomaire laser dezelfde taken uitvoeren als een gewone laser, maar de wetenschappers dromen groter.
De nieuwe laser moet ons helpen met het vinden van donkere materie en donkere energie in de ruimte en het opsporen van gravitatiegolven en het verbeteren van bijvoorbeeld ruimtenavigatie.