Bose-Einstein-condensaat: de vijfde staat van materie uitgelegd
Stel je een concertzaal voor waarin duizenden individuele muzikanten plotseling exact dezelfde noot spelen, op precies hetzelfde moment, met precies dezelfde toon: geen chaos meer, maar één enkel, zuiver geluid. Iets vergelijkbaars gebeurt in een Bose-Einstein-condensaat (BEC), alleen dan met atomen in plaats van muzikanten. Bij extreem lage temperaturen verliezen duizenden tot miljoenen atomen hun individuele identiteit en gaan ze zich gedragen als één groot "superatoom" dat als geheel volgens de wetten van de kwantummechanica beweegt.
Een Bose-Einstein-condensaat wordt daarom wel de vijfde toestand van materie genoemd, naast vast, vloeibaar, gas en plasma. Het bestaat alleen bij temperaturen van enkele miljardsten van een graad boven het absolute nulpunt (min 273,15 graden Celsius), en dat is precies waarom het zo lastig te maken en te bestuderen is. Toch heeft dit exotische materiaal, sinds de eerste succesvolle creatie in 1995, een blijvende plek gekregen in de natuurkunde: het is inmiddels een standaard gereedschap geworden voor fundamenteel onderzoek en voor uiterst precieze metingen.
Wat is het precies?
Om te begrijpen wat een Bose-Einstein-condensaat is, moet je eerst weten dat alle deeltjes in de natuur in twee families vallen: fermionen en bosonen. Fermionen, zoals elektronen, zijn asociale deeltjes: twee ervan kunnen nooit precies dezelfde kwantumtoestand innemen. Bosonen, zoals fotonen (lichtdeeltjes) en veel soorten atomen, hebben dat probleem niet. Zij mogen zich in principe allemaal tegelijk in exact dezelfde toestand bevinden.
Bij normale temperaturen maakt dit weinig verschil, omdat atomen voortdurend chaotisch rondbewegen en botsen. Maar wanneer je een wolk bosonische atomen extreem afkoelt, gebeurt er iets bijzonders. In de kwantummechanica wordt elk deeltje niet alleen als een bolletje beschreven, maar ook als een golf: de zogeheten golffunctie, die de kans aangeeft waar je een deeltje zou aantreffen. Bij hogere temperaturen zijn die golven van verschillende atomen kort en bewegen ze door elkaar heen zonder veel overlap. Naarmate de temperatuur daalt, worden de golven van de atomen langer, tot het punt waarop ze elkaar volledig gaan overlappen. Op dat moment versmelten de individuele golffuncties tot één enkele, gezamenlijke golffunctie: het Bose-Einstein-condensaat is geboren.
Om dit voor elkaar te krijgen, gebruiken natuurkundigen een combinatie van technieken. Eerst wordt een wolkje atomen, meestal van een alkalimetaal zoals rubidium of natrium, gevangen en afgeremd met laserkoeling: laserlicht wordt zo afgestemd dat atomen die op de laser af bewegen fotonen absorberen en daardoor afremmen, terwijl atomen die van de laser af bewegen minder last hebben van dit effect. Dit gebeurt in een zogeheten magneto-optische val, een combinatie van laserstralen en magneetvelden die de atomen in het midden van een vacuümkamer vasthoudt en afkoelt tot temperaturen van enkele microkelvin (miljoenste graden boven het absolute nulpunt).
Dat is echter nog niet koud genoeg. Om de laatste stap te zetten, gebruikt men evaporatieve koeling: net als bij een kop hete koffie die afkoelt doordat de snelste, energierijkste watermoleculen verdampen, laat men in de val selectief de "heetste" atomen ontsnappen, zodat de overblijvende atomen steeds kouder worden. Zo bereikt men uiteindelijk temperaturen van enkele nanokelvin, oftewel enkele miljardsten van een graad boven het absolute nulpunt. Bij die temperatuur ontstaat het condensaat, dat zich vaak gedraagt als een superfluïdum: een vloeistof zonder enige interne wrijving, die bijvoorbeeld eeuwig zou kunnen blijven stromen in een gesloten lus zonder energie te verliezen.
Wat wil men ermee bereiken?
Het onderzoek naar Bose-Einstein-condensaten is in de eerste plaats fundamenteel: natuurkundigen willen begrijpen hoe kwantummechanica zich gedraagt op een schaal die groot genoeg is om direct te observeren, in plaats van indirect af te leiden uit metingen aan losse deeltjes. Een BEC is in feite kwantummechanica die zichtbaar wordt op de schaal van een half millimeter, iets wat normaal alleen bij individuele atomen of subatomaire deeltjes optreedt.
Daarnaast zijn BEC's en de technieken om ze te maken enorm waardevol gebleken voor precisiemeting. Omdat de atomen in een condensaat zich als golven gedragen en extreem gevoelig zijn voor invloeden als zwaartekracht, versnelling en rotatie, kunnen ze worden gebruikt in atoominterferometers: instrumenten die minieme verschillen in de golven van atomen meten om bijvoorbeeld zwaartekrachtsveranderingen, versnellingen of rotaties met extreme nauwkeurigheid vast te stellen. Dit heeft directe toepassingen in atoomklokken (de nauwkeurigste tijdmeters die er bestaan), gravimeters (instrumenten die kleine variaties in de zwaartekracht meten, bruikbaar voor onder meer geologisch onderzoek) en potentieel in navigatiesystemen die niet afhankelijk zijn van gps.
Een derde doel is kwantumsimulatie: door ultrakoude atomen in speciale lichtpatronen (optische roosters) te plaatsen, kunnen onderzoekers modelsystemen bouwen die zich gedragen als andere, veel moeilijker te bestuderen kwantumsystemen, zoals supergeleiders. Zo wordt een BEC een soort kwantumcomputer-achtige proeftuin waarin natuurkundige theorieën getest kunnen worden die anders nauwelijks te onderzoeken zijn.
Voorbeelden uit de praktijk
Het eerste Bose-Einstein-condensaat werd in 1995 gemaakt door Eric Cornell en Carl Wieman aan JILA, een gezamenlijk onderzoeksinstituut van de University of Colorado Boulder en het Amerikaanse National Institute of Standards and Technology (NIST). Zij koelden een wolkje rubidium-atomen af tot ongeveer 170 nanokelvin en zagen voor het eerst experimenteel bevestigd wat Einstein en de Indiase natuurkundige Satyendra Nath Bose al in 1924 en 1925 hadden voorspeld.
Slechts enkele maanden later, nog in 1995, slaagde Wolfgang Ketterle aan het Massachusetts Institute of Technology (MIT) erin een Bose-Einstein-condensaat te maken met natrium-atomen, met een methode die grotere en stabielere condensaten opleverde. Deze doorbraak was cruciaal voor het vervolgonderzoek naar de eigenschappen van BEC's.
Voor dit werk ontvingen Cornell, Wieman en Ketterle in 2001 gezamenlijk de Nobelprijs voor de Natuurkunde.
Een recenter voorbeeld is het Cold Atom Lab van NASA, dat sinds 2018 aan boord van het Internationaal Ruimtestation (ISS) draait. In de microzwaartekracht van het ruimtestation kunnen onderzoekers Bose-Einstein-condensaten langer bestuderen en op manieren die op aarde onmogelijk zijn, omdat de val waarin het condensaat normaal tegen de zwaartekracht in gehouden moet worden hier veel zwakker hoeft te zijn. Dit is nog altijd puur experimenteel onderzoek, zonder directe commerciële toepassing.
Tot slot is er het MAGIS-100-project bij Fermilab in de Verenigde Staten, waarbij een honderd meter lange verticale schacht wordt gebruikt voor atoominterferometrie met ultrakoude atomen, met als doel gevoelige detectoren te bouwen voor onderzoek naar donkere materie en mogelijk zelfs zwaartekrachtsgolven op frequenties die huidige detectoren zoals LIGO niet kunnen waarnemen. Ook dit is nadrukkelijk een onderzoeksproject in opbouw, geen werkende technologie.
Hoe ver is de techniek?
Het maken van een Bose-Einstein-condensaat is sinds 1995 uitgegroeid van een wereldschokkende doorbraak tot een gevestigde, zij het nog altijd geavanceerde, laboratoriumtechniek. Wereldwijd zijn er inmiddels tientallen onderzoeksgroepen die routinematig BEC's kunnen maken, met steeds verder verfijnde methoden en met een steeds breder scala aan atomen en zelfs moleculen.
Toch blijft de techniek beperkt tot gespecialiseerde laboratoria. Het maken van een BEC vereist een complexe opstelling met meerdere lasers, precisie-elektronica, hoogvacuümkamers en magneetsystemen, wat kostbaar en onderhoudsintensief is. Bovendien zijn condensaten fragiel: ze bestaan meestal maar kort (van milliseconden tot enkele seconden) voordat ze uiteenvallen door botsingen met restgasmoleculen of door andere storende invloeden.
Een belangrijke ontwikkeling van de afgelopen jaren is de opkomst van atoomchips: miniatuurcircuits waarmee de magnetische velden die nodig zijn om atomen te vangen en te koelen, op chipformaat kunnen worden opgewekt. Dit maakt compactere, en potentieel draagbare, atoominterferometers mogelijk. Er wordt daarnaast gewerkt aan robuustere en transportabele systemen voor toepassingen buiten het lab, bijvoorbeeld voor gravimetrie in het veld. Deze systemen zijn echter nog altijd aanzienlijk groter, duurder en gevoeliger dan bijvoorbeeld een gewone gps-ontvanger of atoomklok op basis van andere technieken, en een doorbraak naar echt alledaags gebruik is (nog) niet in zicht.
Wie werken eraan?
Onderzoek naar Bose-Einstein-condensaten wordt wereldwijd gedaan, met een aantal instituten die een leidende rol spelen. In de Verenigde Staten zijn dat onder meer JILA (een samenwerking tussen NIST en de University of Colorado Boulder, waar de eerste BEC werd gemaakt), het MIT (waar Wolfgang Ketterle en zijn opvolgers baanbrekend werk verrichtten), NASA's Jet Propulsion Laboratory (verantwoordelijk voor het Cold Atom Lab op het ISS) en Fermilab (met het MAGIS-100-project).
In Europa spelen onder andere de École Normale Supérieure in Parijs, de Universität Innsbruck in Oostenrijk en het Max Planck Institute of Quantum Optics samen met de Ludwig-Maximilians-Universität in München een vooraanstaande rol in onderzoek naar ultrakoude atomen en kwantumsimulatie. Ook diverse andere Europese onderzoeksgroepen, onder meer in Nederland, doen onderzoek aan ultrakoude atomen en aanverwante kwantumtechnologie, al ligt de historische en huidige zwaartekracht van BEC-specifiek onderzoek vooral bij de hierboven genoemde instituten in de VS, Frankrijk, Oostenrijk en Duitsland.