Recoil-energie: de kleine terugslag die atomen bijna stilzet
Schaats je op ijs en gooi je een zware bal recht vooruit, dan glijd je zelf een stukje achteruit. Die terugstoot heet in de natuurkunde "recoil": actie en reactie zijn altijd even groot en tegengesteld gericht. Wat weinig mensen beseffen, is dat hetzelfde principe optreedt op het kleinst denkbare schaalniveau, dat van een enkel atoom en een enkel deeltje licht. Wanneer een atoom een lichtdeeltje (foton) opvangt of uitzendt, krijgt het net als de schaatser een piepklein duwtje in de tegenovergestelde richting. Dat duwtje, en de bijbehorende hoeveelheid energie, noemen natuurkundigen recoil-energie.
Die energie is onvoorstelbaar klein, maar juist daardoor extreem nuttig. Door atomen gericht te bestoken met laserlicht en handig gebruik te maken van die minieme terugslagen, kunnen onderzoekers atomen afremmen tot ze bijna stilstaan: temperaturen van een miljoenste graad boven het absolute nulpunt, de koudst mogelijke temperatuur. Die ultrakoude, bijna bewegingsloze atomen vormen tegenwoordig het kloppende hart van de nauwkeurigste klokken en de gevoeligste meetinstrumenten die de wetenschap kent, technologie die stilaan haar weg vindt naar navigatie, geofysica en fundamenteel onderzoek naar de opbouw van het heelal.
Wat is het precies?
Licht bestaat uit fotonen: piepkleine pakketjes energie zonder massa, maar met wel degelijk een impuls (een bewegingshoeveelheid, vergelijkbaar met wat een bewegend voorwerp heeft). Omdat impuls behouden moet blijven, geldt: als een atoom een foton absorbeert, moet het atoom zelf een tegengestelde impuls krijgen om het totaal in evenwicht te houden. Dat is de recoil, de terugslag.
Deze eigenschap is de basis van een techniek die "laserkoeling" heet. In grote lijnen werkt dat zo:
- Onderzoekers richten laserlicht op een wolkje atomen, met de laser net iets lager afgesteld dan de frequentie waarop het atoom van nature licht absorbeert.
- Een atoom dat toevallig recht op de laserbron af beweegt, ziet door het dopplereffect (dezelfde vervorming die een naderende ambulancesirene hoger laat klinken) het licht net op de juiste, iets hogere frequentie en absorbeert een foton.
- Bij die absorptie krijgt het atoom een klein duwtje tegen zijn eigen bewegingsrichting in: het remt af.
- Even later zendt het atoom het foton in een willekeurige richting weer uit. Herhaal dit proces duizenden keren per seconde, en de afremmende duwtjes stapelen zich systematisch op, terwijl de willekeurige uitzendingen elkaar gemiddeld opheffen.
Het resultaat is een wolk atomen die nauwelijks meer beweegt, oftewel: extreem koud is, want temperatuur is in de kern niets anders dan de gemiddelde bewegingssnelheid van deeltjes. Er zit wel een natuurlijke ondergrens aan deze eenvoudige vorm van laserkoeling, de zogeheten recoil-limiet: zelfs het allerlaatste, willekeurig uitgezonden foton geeft het atoom nog een kleine, niet te vermijden terugslag, die als een soort restwarmte werkt. Om daar doorheen te breken, ontwikkelden natuurkundigen verfijndere technieken zoals Ramankoeling en verdampingskoeling, waarmee atomen tot ver onder de recoil-limiet gebracht kunnen worden, tot temperaturen van een miljardste graad boven het absolute nulpunt.
Wat wil men ermee bereiken?
Stilstaande, ultrakoude atomen gedragen zich extreem voorspelbaar en zijn daarom ideaal als bouwsteen voor precisie-instrumenten. Het belangrijkste doel is het bouwen van atoomklokken die zoveel nauwkeuriger lopen dan de klokken die nu bijvoorbeeld gps aansturen, dat ze in miljarden jaren nog geen seconde zouden afwijken. Nauwkeurigere tijd betekent nauwkeurigere plaatsbepaling, snellere en veiligere datanetwerken, en scherpere metingen in de natuurkunde zelf.
Een tweede doel is de ontwikkeling van kwantumsensoren: instrumenten die minieme variaties in zwaartekracht, versnelling of magnetische velden meten door te kijken hoe wolken ultrakoude atomen zich gedragen. Zulke sensoren kunnen in theorie navigatiesystemen leveren die niet van gps-satellieten afhankelijk zijn, wat waardevol is voor onderzeeƫrs, vliegtuigen of situaties waarin gps verstoord is. Ook geofysisch onderzoek, zoals het opsporen van ondergrondse holtes, magmakamers onder vulkanen of grondwaterreserves, kan baat hebben bij zulke extreem gevoelige zwaartekrachtmeters.
Daarnaast dienen recoil-gekoelde atomen als testbed voor fundamentele natuurkunde: het toetsen van Einsteins relativiteitstheorie, het speuren naar donkere materie, en experimenten met atoominterferometrie, een techniek die met wolken zwevende atomen minieme rimpelingen in de ruimtetijd kan proberen te detecteren. Tot slot worden losse, koude atomen ook gebruikt als qubits, de rekeneenheden van bepaalde typen kwantumcomputers.
Voorbeelden uit de praktijk
De grondslag van dit veld werd in 1997 erkend met de Nobelprijs voor de Natuurkunde, die naar Steven Chu, Claude Cohen-Tannoudji en William D. Phillips ging voor hun methoden om atomen met laserlicht te koelen en te vangen.
Bij het Amerikaanse metrologie-instituut NIST en het samenwerkingsinstituut JILA (verbonden aan de University of Colorado Boulder) worden al jaren optische atoomklokken op basis van ytterbium- en strontiumatomen ontwikkeld, die tot de nauwkeurigste tijdmeters ter wereld behoren.
In 2018 lanceerde NASA het Cold Atom Lab, een compact laboratorium aan boord van het internationale ruimtestation ISS waarin atomen tot vlak bij het absolute nulpunt worden gekoeld om hun gedrag in gewichtloosheid te bestuderen, iets wat op aarde door de zwaartekracht lastiger is.
Het Franse bedrijf Muquans, in 2011 opgericht als spin-off van onderzoeksgroepen in Bordeaux en Parijs, bouwde commerciƫle zwaartekrachtmeters op basis van koude atomen voor onder meer geofysisch onderzoek; het bedrijf werd later overgenomen en gaat tegenwoordig verder als onderdeel van het Franse technologieconcern Exail.
Ook China heeft geĆÆnvesteerd in dit veld: in 2016 bracht het land aan boord van het ruimtelab Tiangong-2 een koude-atoomklok in een baan om de aarde, destijds gepresenteerd als een van de eerste experimenten van dit type in de ruimte.
Hoe ver is de techniek?
Laserkoeling zelf is inmiddels een volwassen, wijdverbreide labtechniek: vrijwel elk natuurkundelab dat met koude atomen werkt, gebruikt varianten van de hierboven beschreven methode. Het is het vervolgtraject, van labopstelling naar praktisch inzetbaar apparaat, waar het echte werk nu ligt.
Optische atoomklokken zijn in laboratoria al ruim nauwkeuriger dan de huidige internationale standaard, de cesiumklok. Er loopt een internationale discussie, gecoƶrdineerd door metrologie-organisaties, over het op termijn herdefiniƫren van de seconde op basis van zulke optische klokken; een veelgenoemd richtjaar hiervoor is rond 2030, al is dat geen harde deadline en kan het proces vertragen.
Kwantumsensoren op basis van koude atomen bestaan al als werkende prototypes en zelfs commerciĆ«le producten, maar zijn doorgaans nog omvangrijk, kwetsbaar voor trillingen en kostbaar. De grote uitdaging is miniaturisatie: van een labtafel vol lasers, vacuĆ¼mkamers en elektronica naar een apparaat dat in een vliegtuig, onderzeeĆ«r of uiteindelijk een chip past. Aan die verkleining wordt hard gewerkt, maar brede, betaalbare toepassing buiten gespecialiseerde militaire, wetenschappelijke of industriĆ«le omgevingen ligt vermoedelijk nog jaren verderop.
Wie werken eraan?
In de Verenigde Staten zijn NIST, JILA, en NASA's Jet Propulsion Laboratory belangrijke spelers, met daarnaast universiteiten als MIT en Stanford. Het Amerikaanse defensie-onderzoeksagentschap DARPA heeft in het verleden programma's gefinancierd gericht op kwantumsensoren en navigatie zonder gps.
In Frankrijk zijn CNRS (de nationale onderzoeksorganisatie), het Observatoire de Paris en spin-offs zoals het eerdergenoemde Muquans, nu onderdeel van Exail, actief. In Duitsland doet het nationale metrologie-instituut PTB (Physikalisch-Technische Bundesanstalt) onderzoek naar optische klokken. Ook in Nederland wordt aan aanverwante kwantumtechnologie gewerkt, onder meer aan de TU Delft, al ligt de nadruk daar vaker op kwantumcomputing dan op koude-atoomklokken specifiek.
China investeert via zijn ruimtevaartprogramma en universiteiten, waaronder de University of Science and Technology of China, eveneens in koude-atoomtechnologie. Internationaal wordt de mogelijke herdefinitie van de seconde gecoƶrdineerd via het Bureau International des Poids et Mesures (BIPM), waarin metrologie-instituten uit tientallen landen samenwerken.