Met lasers koelden onderzoekers losse atomen af tot de laagst mogelijke temperatuur. Vervolgens wisten ze niet twee, maar drie atomen met elkaar te laten binden tot een ultrakoud molecuul.

Bij een temperatuur van -273 graden Celsius lieten Chinese onderzoekers voor het eerst drie atomen binden tot één ‘ultrakoud’ molecuul. Alleen rond die temperatuur kan men de diepste natuurwetten van de quantumfysica verkennen. Het onderzoek is gepubliceerd in het wetenschappelijk tijdschrift Nature.

De onderzoekers gebruikten lasers om losse atomen tot nabij het ‘absolute nulpunt’ te koelen, om vervolgens de deeltjes te laten binden. Bij deze temperatuur stoppen alle atomen en moleculen met trillen, en staan ze volledig stil.

Zwijgend higgsboson
LEES OOK
Zwijgend higgsboson

Resonantie

Lasers kunnen atomen afkoelen. Dat werkt zo. Wanneer een laserstraal door een warm, trillend atoom wordt geabsorbeerd, komt dit atoom in een hogere energietoestand terecht. Daarbij schiet het atoom een lichtdeeltje af. Dat lichtdeeltje geeft een schokje terug aan het atoom, vergelijkbaar met de terugslag na het afschieten van een pistool. Als de kracht daarvan precies tegengesteld is aan de trilling van het atoom, komt het atoom tot stilstand. Resultaat: een ‘ultrakoud’ atoom.

Die truc is moeilijk uit te halen met moleculen, die uit onderling gebonden atomen bestaan. Net als warme atomen, trillen hele moleculen heen en weer. Daarnaast vinden er binnen in een molecuul ook nog allerlei complexere bewegingen plaats. De molecuulbindingen rekken als een springveer, en de bindingen draaien voortdurend om hun as. Die interne bewegingen zijn ‘vibratietoestanden’, die toenemen naarmate een molecuul meer energie opneemt. Zulke bewegingen zijn haast onmogelijk te controleren met een laser. Daarom koelden de onderzoekers eerst losse atomen, die ze vervolgens lieten binden.

Laserkoelingsexperiment met waterstof, ‘gezien’ vanuit de laser. Dit experiment was niet onderdeel van de besproken Chinese studie, maar werd uitgevoerd bij de National Ignition Facility in Californië. Hier koelden ze waterstof tot vlak onder het vriespunt. Onder hoge druk, zodat minder energie in de laser gestopt hoefde te worden. Beeld: Wikimedia/National Ignition Facility/CC-BY-SA-3.0

Om twee ultrakoude atomen te laten binden, moeten ze op hetzelfde energieniveau zitten. In dat geval vibreren ze even hard, tot ze met elkaar ‘resoneren’. Dan kunnen ze een heel lichte molecuulbinding vormen. Veel onderzoekers beheersen deze methode goed met twee atomen, maar nu is het ook nog gelukt om een derde atoom eraan te koppelen.

Met een magneetveld manipuleerden de onderzoekers de energieniveaus van een twee-atomig molecuul en een los atoom, tot ze een binding konden vormen. Maar het molecuul dat ze maakten, bevat zeer veel energie: het vibreert en roteert nog wild. Dat maakt het instabiel. Het molecuul balanceert daardoor op de grens van ‘molecuul-zijn’ en de binding is nog zwak.

Vibraties bedaren

Theoretisch scheikundigen zouden graag met computers het gedrag van moleculen nauwkeurig simuleren en voorspellen. Doordat de rekenkracht van hedendaagse computers beperkt is, lukt dat vooralsnog alleen voor één waterstofmolecuul met hoge nauwkeurigheid. Mogelijk is er meer te leren van ultrakoude moleculen. Zulke stilstaande moleculen worden louter door de wetten van quantummechanica gedirigeerd. Daarom bieden die inzicht in het gedrag van alle moleculen – ook warmere.

‘Het artikel beschrijft zeer interessant werk’, zegt Rick Bethlem. Hij is molecuulfysicus aan de Vrije Universiteit Amsterdam. ‘De technieken zijn zeer efficiënt. Hiermee kunnen geweldig leuke experimenten worden gedaan. Wel zijn het zeer exotische moleculen die unieke eigenschappen hebben, maar die weinig lijken op wat scheikundigen verstaan onder moleculen. De toepassingen lijken mij vooral te liggen in het onderzoeken van zeer licht gebonden moleculen.’

Bo Zhao, auteur van het onderzoek, is het daarmee eens. ‘De voornaamste relevantie van het onderzoek is dat het niet alleen een eerste stap naar drie-atomische moleculen is, maar ook dat het ons begrip aanzienlijk vergroot van de extreem ingewikkelde resonantie tussen het molecuul en atoom.’

De gewenste volgende stap is duidelijk: het wild vibrerende drie-atomige molecuul tot bedaren brengen, terug naar een stabielere toestand. ‘Dat is een vrij magisch proces’, zegt Tijs Karman, universitair docent theoretische scheikunde aan de Radboud Universiteit. ‘Je hebt een zee van wild vibrerende moleculen, je komt aan met een laserpuls en daarna zou alles stil moeten staan. Dat is tenminste de bedoeling. We beheersen dit voor twee-atomige moleculen, dus is het niet onredelijk om te denken dat we dit ook voor drie-atomige moleculen onder de knie kunnen krijgen.’