Laserkoeling: hoe licht atomen tot bijna het absolute nulpunt afremt
Laserkoeling klinkt als een tegenstrijdigheid. Iedereen kent lasers van snijbranders, laserpointers of medische apparatuur die juist warmte toevoegen. Toch gebruiken natuurkundigen laserlicht al decennia om atomen af te koelen tot temperaturen die miljoenen keren kouder zijn dan de diepste ruimte. Het geheim zit niet in de warmte van het licht, maar in de beweging die het wegneemt.
Stel je voor dat je in een zwembad tegen de stroom in zwemt en voortdurend tennisballen tegen je borst aan gegooid krijgt vanuit de richting waar je heen beweegt. Elke bal die je raakt, duwt je een beetje terug en remt je af. Zo werkt laserkoeling ongeveer: een atoom dat door de ruimte zoeft, wordt van voren beschoten met een stroom lichtdeeltjes (fotonen) die het telkens een duwtje terug geven, totdat het bijna stilstaat.
Wat is het precies?
Atomen in een gas bewegen voortdurend alle kanten op; hoe sneller ze bewegen, hoe hoger de temperatuur die we meten. Om een gas af te koelen, moet je die beweging dus afremmen. Laserkoeling doet dat door gebruik te maken van een eigenschap van licht die weinig mensen kennen: fotonen hebben, hoewel ze geen massa hebben, wel impuls. Wanneer een atoom een foton absorbeert, krijgt het een klein duwtje in de richting waar het foton vandaan kwam.
Om dit effect te benutten, richten onderzoekers laserlicht vanuit meerdere kanten op een wolkje atomen, en stellen ze de kleur (frequentie) van het licht net iets lager in dan de kleur die het atoom normaal gesproken het makkelijkst absorbeert. Dit heet roodverschoven licht. Door het Dopplereffect, hetzelfde verschijnsel waardoor een ambulancesirene hoger klinkt als hij naar je toe komt en lager als hij wegrijdt, lijkt dit roodverschoven licht voor een atoom dat ernaartoe beweegt plotseling precies de juiste kleur te hebben. Atomen die tegen een laserbundel in bewegen, absorberen dus veel meer fotonen uit die bundel dan atomen die ermee meebewegen.
Het resultaat is dat een atoom, van welke kant het ook probeert te vluchten, steeds het hardst wordt afgeremd in de richting waarin het beweegt. Zes laserbundels (twee voor elke ruimterichting) zorgen er zo voor dat atomen in een soort stroperige, onzichtbare massa van licht terechtkomen die hun beweging afremt. Natuurkundigen noemen dit treffend optical molasses, oftewel optische stroop.
Om de atomen ook daadwerkelijk op één plek te houden in plaats van ze alleen af te remmen, wordt vaak een magnetisch veld toegevoegd dat varieert met de positie. De combinatie van laserlicht en dit veld heet een magneto-optische val (MOT), en is het werkpaard van vrijwel elk laserkoelingslab ter wereld. Met deze methode bereiken onderzoekers temperaturen in de orde van microkelvin, een miljoenste graad boven het absolute nulpunt. Met geavanceerdere technieken, zoals het geleidelijk verlagen van een magnetische of optische val (verdampingskoeling), komen groepen zelfs uit op nanokelvin, een duizendste van een microkelvin.
Wat wil men ermee bereiken?
Zulke extreme kou is geen doel op zich; het is een gereedschap. Atomen die vrijwel stilstaan, zijn veel makkelijker nauwkeurig te meten en te manipuleren dan atomen die met honderden meters per seconde door een gasvolume schieten. Dat opent de deur naar een reeks toepassingen.
De belangrijkste drijfveer is precisiemeting. Atoomklokken, die de internationale tijdstandaard bepalen, zijn nauwkeuriger naarmate de atomen waarmee ze werken stiller zijn: beweging veroorzaakt namelijk kleine, storende Doppler-verschuivingen in de frequenties die worden gemeten. Laserkoeling maakte atoomklokken orden van grootte preciezer.
Diezelfde precisie is nuttig voor fundamentele natuurkunde: het testen van Einsteins relativiteitstheorie, het zoeken naar mogelijke veranderingen in natuurconstanten, en het meten van zwaartekracht met ongekende gevoeligheid. Koude atomen worden ook gebruikt als uiterst gevoelige versnellingsmeters en gyroscopen, nuttig voor navigatie op plekken waar gps niet werkt, zoals onder water of in de ruimte.
Daarnaast is laserkoeling de poort naar kwantumtechnologie. Ultrakoude atomen gedragen zich overwegend volgens de regels van de kwantummechanica in plaats van de klassieke natuurkunde, wat ze geschikt maakt als bouwstenen voor kwantumsimulatoren en bepaalde typen kwantumcomputers. Ook het beroemde Bose-Einstein condensaat, een toestand van materie waarin atomen collectief hetzelfde kwantumgedrag vertonen, is alleen bereikbaar dankzij laserkoeling als eerste stap.
Voorbeelden uit de praktijk
Laserkoeling is geen speculatieve toekomsttechniek, maar een beproefde methode met een lange geschiedenis van concrete resultaten.
- 1997: Steven Chu, Claude Cohen-Tannoudji en William Phillips ontvingen de Nobelprijs voor de Natuurkunde voor het ontwikkelen van methoden om atomen met laserlicht af te koelen en te vangen, het fundament van het hele vakgebied.
- 1995: Eric Cornell en Carl Wieman creëerden aan JILA (een samenwerking tussen NIST en de University of Colorado Boulder) het eerste Bose-Einstein condensaat, door rubidiumatomen eerst met lasers en daarna met verdampingskoeling af te koelen tot enkele honderden nanokelvin. Dit leverde hen in 2001 de Nobelprijs op, samen met Wolfgang Ketterle.
- NIST-F1 en NIST-F2: de Amerikaanse atoomklokken van het National Institute of Standards and Technology gebruiken laserkoeling van cesiumatomen om de seconde met extreme precisie te definiëren.
- Cold Atom Lab: NASA lanceerde in 2018 een laserkoelingsopstelling naar het Internationaal Ruimtestation, om Bose-Einstein condensaten te bestuderen onder gewichtloosheid, waar atomen veel langer in vrije val blijven dan in een laboratorium op aarde.
- Optische atoomklokken: onderzoeksgroepen zoals die van Jun Ye bij JILA ontwikkelen klokken op basis van laserkoeling van strontium- of ytterbiumatomen die inmiddels nauwkeuriger zijn dan de huidige cesium-gedefinieerde seconde, al is de officiële standaard nog niet aangepast.
Hoe ver is de techniek?
Laserkoeling zelf is een volwassen techniek. Sinds de jaren tachtig en negentig van de vorige eeuw is het een standaardonderdeel van de gereedschapskist in de atoomfysica, met magneto-optische vallen die in honderden laboratoria wereldwijd routinematig worden opgebouwd.
Wat nog volop in ontwikkeling is, is het uitbreiden van de techniek naar moleculen. Atomen hebben relatief eenvoudige energieniveaus, waardoor de juiste laserkleuren goed te bepalen zijn. Moleculen hebben door hun trillingen en rotaties veel complexere energieniveaus, wat laserkoeling technisch lastiger maakt. De afgelopen tien tot vijftien jaar is hier wel vooruitgang geboekt, met succesvolle koeling van bepaalde eenvoudige moleculen, al blijft dit een actief onderzoeksgebied met meer open vragen dan bij atomen.
Een andere ontwikkeling is miniaturisatie: onderzoekers proberen magneto-optische vallen te verkleinen tot compacte, chip-achtige opstellingen die buiten het laboratorium inzetbaar zijn, bijvoorbeeld voor draagbare precisiesensoren. Dit is veelbelovend, maar nog niet op grote schaal commercieel beschikbaar; de meeste opstellingen vereisen nog altijd aanzienlijke apparatuur, vacuümsystemen en trillingsvrije tafels, wat de praktische inzetbaarheid buiten gespecialiseerde labs beperkt.
Wie werken eraan?
De Verenigde Staten hebben een centrale rol gespeeld in de ontwikkeling van laserkoeling, met instituten als NIST (National Institute of Standards and Technology) en JILA (de samenwerking tussen NIST en de University of Colorado Boulder) als wereldwijde koplopers, naast onderzoeksgroepen aan universiteiten als MIT en Stanford.
In Frankrijk is het onderzoek nauw verbonden met het werk van Claude Cohen-Tannoudji en instituten als het CNRS en de École Normale Supérieure in Parijs. In Duitsland doet onder meer het Max Planck Institute for Quantum Optics baanbrekend werk op het gebied van ultrakoude atomen en kwantumsimulatie.
Ook China heeft de afgelopen jaren fors geïnvesteerd in kwantumtechnologie, met laserkoeling als basistechniek voor atoomklokken en kwantumexperimenten. NASA zet de techniek in via het Cold Atom Lab op het ISS. In Nederland doen groepen aan onder meer de Vrije Universiteit Amsterdam en TU Delft onderzoek dat raakt aan kwantumtechnologie en precisiemetingen, al is laserkoeling van atomen zelf wereldwijd geconcentreerd bij een beperkt aantal gespecialiseerde laboratoria vanwege de complexiteit van de benodigde apparatuur.