Twee Amerikanen en een Duitser delen de Nobelprijs voor Natuurkunde 2001. Zij krijgen de prijs voor het tot stand brengen van de al in 1925 voorspelde Bose-Einsteincondensatie.

Het Zweedse Nobelcomité heeft de Nobelprijs 2001 voor natuurkunde toegekend aan Eric Cornell, Wolfgang Ketterle en Carl Wieman. De drie krijgen de prijs voor hun onderzoek naar het tot stand brengen van en het fundamentele onderzoek naar de zogeheten Bose-Einsteincondensatie. In technologisch opzicht biedt het onderzoek van de Nobelprijswinnaars perspectieven voor nanotechnologie en voor zeer precieze metingen.

Bose-Einsteincondensatie levert een unieke toestand van een gas waarin alle atomen in dezelfde energietoestand zitten en door één en hetzelfde waarschijnlijkheidsfunctie kunnen worden beschreven. Zo’n functie beschrijft de kans om een atoom op een bepaalde plaats te vinden. Materie kan op kwantummechanisch niveau namelijk als een golfverschijnsel worden beschreven met een waarschijnlijkheidsverdeling. Deze toestand van het gas heet een condensaat. Je kunt de toestand vergelijken met lichtdeeltjes in een laserbundel: deze deeltjes hebben alle dezelfde energie en oscilleren gezamenlijk. Bij licht van een gewone lamp is dat niet het geval. Het is zeer bijzonder om zo’n toestand in materie in plaats van in licht te realiseren.

'Koudwaterkoraalriffen zijn de regenwouden van de oceaan'
LEES OOK
'Koudwaterkoraalriffen zijn de regenwouden van de oceaan'

In 1924 deed de Indiase fysicus Bose belangrijke berekeningen aan lichtdeeltjes. Dit leverde een nieuw soort statistiek. Einstein breidde die berekeningen vervolgens uit naar een gas van bepaalde atomen. Hij voorspelde ook dat als een gas van die speciale atomen wordt gekoeld tot een zeer lage temperatuur (in de orde van nanokelvins), de atomen plotseling allemaal in de laagste energietoestand terechtkomen. Deze overgang hangt af van de statistische eigenschappen van alle atomen samen. Dit lijkt op condensatie van waterdamp tot waterdruppels, vandaar de naam Bose-Einsteincondensatie. Het fenomeen laat zich begrijpen door combinatie van twee fundamentele fysische theorieën: kwantummechanica en statistische mechanica.

Pas in 1995 slaagden de Amerikanen Cornell en Wieman, twee van de huidige Nobelwinnaars, erin om bij rubidiumatomen (gekoeld tot twintig nanokelvin, dus vlak boven het absolute nulpunt) deze toestand te realiseren. Zij creërden een gas dat enerzijds bestond uit het gewenste condensaat en anderzijds uit gewoon gas. Het lijkt op het afkoelen van waterdamp, waarbij zich een wolk druppels vormt met een hogere dichtheid dan de waterdamp. Cornell werkt bij het National Institute of Standards and Technology in Boulder, Colorado (VS). Wieman is als hoogleraar natuurkunde verbonden aan de University of Colorado, eveneens in Boulder. Beiden ontvingen voor hun prestatie overigens in Nederland al in 1998 de Lorentzmedaille. Wieman hield in 2000 de NWO/Huygenslezing over het fenomeen Bose-Einsteincondensatie.

Bose-Einsteincondensatie in rubidium. Van links naar rechts zien we de atomaire verdeling in de wolk net voor de condensatie, bij het begin van de condensatie en na volledige condensatie. Hoge pieken corresponderen met grote aantallen atomen.


De derde winnaar, Ketterle, werkte onafhankelijk van Cornell en Wieman aan experimenten met natriumatomen. Omdat zijn natriumcondensaat meer atomen bevatte dan het rubidiumcondensaat van de twee Amerikanen, was het geschikter voor een verdere fundamentele studie naar het verschijnsel Bose-Einsteincondensatie. Ketterle slaagde er verder in om druppels te maken die een volledig Bose-Einsteincondensaat waren. Het resultaat is een soort ‘laserbundel’ van materie in plaats van licht. Ketterle is hoogleraar natuurkunde aan het Massachusetts Institute of Technology in Cambridge, Massachusetts (VS).

Wereldwijd hebben inmiddels meer dan twintig onderzoeksgroepen Bose-Einsteincondensatie gerapporteerd.

Bennie Mols