Quantumkarakter van atomen meten
Met een meetmethode afkomstig uit de sterrenkunde weten natuurkundigen van de Vrije Universiteit in Amsterdam en de Stichting FOM het golfkarakter van ultrakoude helium-3 en helium-4 atomen te meten. Deze atomen zitten opgesloten in ultrahoog vacuüm en zijn afgekoeld tot bijna het absolute nulpunt. Dit biedt onderzoekers unieke mogelijkheden om zonder verstoringen fundamentele verschillen in het golfkarakter van beide isotopen te bestuderen en daarmee quantumeffecten op macroscopische schaal te bestuderen. De onderzoekers publiceren hun bevindingen op 25 januari 2007 in Nature.
Hoe meet je de diameter van een ster? En hoe de diameter van een wolkje ultrakoude atomen bij een temperatuur van 1 miljoenste graad boven het absolute nulpunt? Deze vragen lijken niets met elkaar te maken te hebben. Beide kunnen echter beantwoord worden door het meten van de licht- dan wel de deeltjesintensiteit op een gevoelige detector.
Diameter van een ster bepalen
Sterren lijken lichtpunten (puntbronnen), maar als ze maar groot genoeg zijn en niet te ver weg staan, vertonen ze een schijnbare diameter. Die schijnbare diameter is de kleine hoek tussen de lichtstralen die van de tegenovergelegen randen van de ster afkomstig zijn. Als je de afstand tot de ster weet, geeft deze hoek direct de diameter van de ster.
Vanaf de eerste helft van de 20e eeuw konden sterrenkundigen deze hoek meten door gebruik te maken van interferentie, het bekende effect waar twee lichtstralen elkaar kunnen versterken maar ook uitdoven. In interferentie-experimenten worden de elektrische velden van het licht opgeteld. Die velden kunnen een positief maar ook negatief teken hebben.
Zo rond het midden van de 20e eeuw liep men op tegen de verstorende effecten die turbulentie in de aardatmosfeer veroorzaakt. Daardoor worden betrouwbare interferentiemetingen moeilijk.
Precies vijftig jaar geleden pasten de astronomen Robert Hanbury Brown en Richard Twiss hun kennis op het gebied van radar die ze in de tweede wereldoorlog hadden opgedaan, toe op zichtbare straling en vonden een nieuwe manier om de schijnbare diameter van sterren te meten. Zij lieten zien dat je in plaats van het meten van een interferentiepatroon ook direct kunt kijken naar de intensiteit van het licht (een maat voor de hoeveelheid lichtdeeltjes die per tijdseenheid arriveert) op twee detectoren. Vergelijk je de gemeten intensiteiten op twee voldoende dicht bij elkaar staande detectoren als functie van het tijdsverschil tussen de metingen, dan blijkt dat je meer lichtdeeltjes per tijdseenheid meet als het tijdsverschil tussen de beide metingen kort is. Dit werd het Hanbury Brown en Twiss (HBT) effect genoemd. Uit de meting van het HBT-effect kun je ook de schijnbare diameter van de ster berekenen. Dat loste het probleem van de turbulenties in de aardatmosfeer op en maakte een nauwkeurige bepaling van sterdiameters mogelijk, zoals die van de bekende en dichtbij staande sterren Sirius en Wega.
Koude atomen, dus HBT-effect
De discussie over de interpretatie van de metingen van Hanbury Brown en Twiss was in de jaren vijftig en zestig van de 20ste eeuw stevig. De commotie had te maken met de interpretatie van het HBT-effect in het golf- dan wel het deeltjesbeeld. De quantumfysica zegt dat licht zowel een golf als een bundel lichtdeeltjes (fotonen) is. In de beschrijving als golf kon men het HBT-effect eenvoudig begrijpen. Beschouwde je licht echter als een bundel fotonen, dan was het allemaal flink ingewikkeld. Het HBT-effect in het beeld van fotonen als deeltjes houdt in dat de kans dat je twee fotonen kort na elkaar meet toeneemt als de twee detectoren maar dicht genoeg bij elkaar gezet worden. In het geval van een enkele voldoende kleine detector zie je dat fotonen, afkomstig van gewone thermische bronnen (zoals een ster), graag kort na elkaar arriveren. Hoe kunnen fotonen van elkaar weten wanneer ze een detector raken? Ze wisselwerken immers, zoals de beroemde natuurkundige Paul Dirac al opmerkte, niet met elkaar, alleen met zichzelf! De discussie leidde tot de ontwikkeling van de quantumoptica, de beschrijving van optische verschijnselen met de quantumtheorie. Roy Glauber kreeg hiervoor de Nobelprijs voor Natuurkunde in 2005.
Wat heeft dit alles nou te maken met ultrakoude atomen? Wel, atomen kunnen als deeltjes maar ook als golf worden beschreven, het beroemde golf-deeltjesdualisme. In de praktijk van alle dag merk je daar weinig van. De golflengte, die bij een deeltje met massa m en snelheid v hoort, is omgekeerd evenredig met mv, waarbij de evenredigheidsfactor de constante van Planck is, en die is zo klein dat alleen bij extreem lage snelheden iets te merken valt van het golfkarakter van atomen. Lage snelheden corresponderen echter met lage temperaturen en ultrakoude atomen zouden dus ook het HBT-effect moeten laten zien. In 2005 hebben Franse natuurkundigen met ultrakoude helium-4 atomen het HBT-effect voor materiegolven (dus deeltjes met massa) overtuigend aangetoond.
Helium-4 gedraagt zich als licht
De kern van helium-4 bestaat uit twee protonen en twee neutronen. Samen met de twee elektronen die daar omheen draaien betekent dit dat helium-4 een even aantal elementaire deeltjes bevat en daarmee in vaktaal een boson wordt genoemd. Aangezien fotonen ook bosonen zijn, verwachtte men dat helium-4 zich als licht zou gedragen. Dit bleek inderdaad het geval.
Helium heeft echter een tweede isotoop, helium-3, met slechts één neutron in de kern. Het is daarmee wat in vaktaal een fermion wordt genoemd (oneven aantal elementaire deeltjes). Hoewel beide heliumisotopen slechts verschillen in een klein detail (een neutron), weet elk tekstboek te melden dat helium-3 atomen zich anders zouden moeten gedragen. In de praktijk betekent dit dat helium-4 atomen geneigd zijn elkaar op te zoeken en dat helium-3 atomen elkaar willen mijden.
Helium-3 en helium-4 gedragen zich verschillend
FOM-onderzoekers Tom Jeltes en John McNamara en VU-onderzoekers Wim Hogervorst en Wim Vassen van het Laser Centrum van de Vrije Universiteit (LCVU) in Amsterdam hebben dit nu samen met Franse collega's voor het eerst weten aan te tonen.
Het onderzoek is uitgevoerd in Amsterdam; de Fransen namen hun uiterst gevoelige detector mee. Met behulp van de laserkoelingstechniek koelden de onderzoekers een gas van helium-4 of helium-3 atomen tot een temperatuur van één miljoenste graad boven het absolute nulpunt af. Het gas is dan opgesloten in een geometrie van magneetvelden die ervoor zorgen dat het op zijn plaats blijft; het vormt een wolkje met een diameter kleiner dan 0,1 millimeter, waarbij de geringe diameter uiteindelijk bepalend is voor het succes van de meting. Wanneer het magneetveld wordt uitgeschakeld, valt de wolk (met ongeveer 100.000 atomen erin) onder invloed van de zwaartekracht gewoon naar beneden, op de detector die 63 centimeter lager hangt. De aankomsttijd van de individuele atomen op ongeveer 10.000 punten op deze detector wordt gemeten. Bij helium-4 zie je een vergelijkbaar resultaat als door Hanbury Brown en Twiss gemeten is voor licht: de atomen arriveren met verhoogde waarschijnlijkheid kort na elkaar. Dit was al een jaar eerder door de Franse groep aangetoond. Het echt bijzondere is dat voor helium-3 een tegengesteld gedrag werd waargenomen. De atomen bleken elkaar te mijden. Dit gedrag van het vormen van groepjes dan wel van elkaar vermijden is sterk afhankelijk van de temperatuur en de diameter van de wolk in de magneetval. Voor het eerst is dit overtuigend en kwantitatief aangetoond. En is het niet vreemd? Helium-3-atomen hebben geen wisselwerking met elkaar en toch mijden ze elkaar. Een puur quantumeffect en gemeten over afstanden in de orde van één millimeter, macroscopisch groot voor een quantumverschijnsel!
Nieuwe experimenten mogelijk
Dit experiment demonstreert quantumeffecten op macroscopische schaal, en biedt de mogelijkheid theorie uit de tekstboeken te testen onder de meest zuivere omstandigheden, zonder benaderingen. Koude atomen hebben al eerder hier hun potentie laten zien, getuige de observatie van Bose-Einstein-condensatie (voor bosonen, bekroond met de Nobelprijs voor de Natuurkunde 2001) en het extreem gevoelig meten van frequenties (Nobelprijs voor de Natuurkunde 2005). Het HBT-effect (voor bosonen dan wel fermionen) kan nu verder worden gebruikt in meer exotische systemen, zoals voor atomen opgesloten in zogenaamde optische roosters. Daarbij zijn de atomen regelmatig gerangschikt op afstanden in de orde van micrometers (duizendste millimeter); zo ontstaan kunstmatige roosters met een roosterafstand die een factor 10.000 groter is dan in vaste stoffen. Natuurkundigen hopen in dit soort systemen een beter begrip te krijgen van superfluïditeit en supergeleiding (respectievelijk het weerstandsloos stromen van vloeistoffen dan wel van elektronen). Beide fenomenen zijn notoir moeilijk te begrijpen door de sterke wisselwerking in vaste stoffen.
Figuur: Vallende atomen Een schematische weergave van de val waarin de ultrakoude atomen voor de experimenten worden opgesloten. Van daaruit vallen ze omlaag op een vlak met detectoren.
Meer informatie bij dr. Wim Vassen, telefoon (020) 598 79 49.
zie ook:Comparison of the Hanbury Brown Twiss effect for bosons and fermions