Met zeer lage temperaturen en laserlicht is het mogelijk een gas van atomen in een geheel nieuwe toestand te brengen.

Begin januari bejubelde het tijdschrift Nature de waarneming van een nieuwe materievorm. Duitse natuurkundigen creëerden met laserstralen een ‘kooi’ waarin rubidiumatomen gevangen werden. Het resultaat is de faseovergang van een Bose-Einsteincondensaat naar de nog niet eerder waargenomen Mott-isolatorfase.

Iedereen komt dagelijks faseovergangen tegen. De verandering van vloeistof in gas wanneer het keteltje water kookt, is slechts één van vele voorbeelden. Al deze grootschalige overgangen vinden hun oorzaak in microscopische schommelingen. In klassieke systemen, zoals ons keteltje water, gaat het om thermische schommelingen: de temperatuur stijgt en het water gaat koken.

Reisgids voor de quantumwereld: een overzicht van de deeltjes die onze werkelijkheid vormgeven
LEES OOK

Reisgids voor de quantumwereld: een overzicht van de deeltjes die onze werkelijkheid vormgeven

Overzicht van de quantumwereld bewoners en hun vreemde gedragingen, plus een aantal kandidaat-bewoners die natuurkundigen hopen te ontdekken.

De faseovergang die de natuurkundigen bestudeerden, is bijzonder omdat deze bij zeer lage temperaturen, vlakbij het absolute nulpunt, optreedt. Klassiek gezien kan er bij het absolute nulpunt helemaal geen faseovergang optreden, want bij deze temperatuur zijn er geen thermische schommelingen. Er is duidelijk iets anders aan de hand: zogenaamde kwantumschommelingen veroorzaken de overgang.

Kwantumschommelingen zijn het directe gevolg van Heisenbergs onzekerheidsrelatie. In de bekendste vorm zegt die relatie dat als je de plaats van een deeltje precies kent, je nooit precies zijn bewegingsenergie kunt weten – en andersom. De informatie die je aan de ene kant wint, verlies je aan de andere kant. En dit heeft grote gevolgen voor de materievorm waarin atomen zich bevinden, zo leert het Duitse onderzoek ons.

Eierrekje

Prof dr Markus Greiner gebruikte voor zijn experimenten een Bose-Einsteincondensaat van rubidiumatomen. Zo’n condensaat ontstaat wanneer men een gas van atomen afkoelt tot temperaturen nabij het absolute nulpunt. De atomen verliezen dan hun individualiteit en vormen samen een aaneengesloten, golfachtige materievorm. In het condensaat kunnen de atomen zich verplaatsen zonder enige wrijving: het gas is een ‘supervloeistof’ geworden.

Om de gewenste faseovergang mogelijk te maken, plaatsten de onderzoekers de supervloeistof in een soort kooi van licht. De kooi bestaat uit meerdere laserbundels die elkaar op regelmatige afstanden kruisen. Zo ontstaat een ‘landschap’ met energiebergen en –dalen, vergelijkbaar met het uiterlijk van een eierrekje. Nadat Greiner de supervloeistof in de kooi had opgesloten, varieerde hij de hoogte van de energiebergen door de sterkte van de lasers te veranderen. Zijn de energiebergen laag, dan kunnen de atomen vrij van het ene dal naar het andere bewegen. De atomen zijn over het hele landschap uitgespreid en het karakter van de supervloeistof blijft onveranderd. Bij te hoge bergen verliezen de atomen echter hun bewegingsvrijheid en raken ze elk in een vallei gevangen. Er ontstaat een geheel nieuwe materievorm: de Mott-isolatorfase.

Maar wat heeft Heisenberg hier mee te maken? Door de onzekerheidsrelatie kan Greiner in zijn experiment nooit tegelijkertijd het aantal atomen in een dal én hun energietoestand kennen. In een Bose-Einsteincondensaat zijn alle atomen met elkaar versmolten. Ze bevinden zich allemaal in dezelfde energietoestand, maar het aantal atomen varieert van dal tot dal. In de Mott-isolator is de situatie omgekeerd: het aantal atomen per dal ligt vast, maar hun toestand in opeenvolgende dalen verschilt. De twee materievormen zijn dan ook fundamenteel verschillend van aard.