Niks meer missen?
Schrijf je in voor onze nieuwsbrief!
Foto: Scixel
wetenschap

UvA-natuurkundigen stap dichter bij eeuwigdurende atoomlaser

Sija van den Beukel,
22 juni 2022 - 14:36

Van een laserpointer tot een succesvolle oogoperatie, lichtlasers zijn de normaalste zaak van de wereld. Atoomlasers zijn dat nog niet. Een groep UvA-natuurkundigen onder wie promovendus Rodrigo González Escudero maakten een flinke stap in de ontwikkeling van een atoomlaser die altijd aan kan blijven. Die resultaten verschenen in het tijdschrift Nature.

Het is even schakelen voor promovendus Escudero om de natuurkunde in Jip-en-Janneke-taal uit te leggen. We beginnen met wat een laser eigenlijk is. ‘Een laser is een bundel van lichtdeeltjes die in volledig synchrone golven in één richting bewegen. Lasers kunnen heel ver schijnen, omdat er geen verstrooiing van licht is. Ook zijn ze heel nauwkeurig, waardoor ze overal van pas komen, zoals in laserprinters, meetapparatuur en in de oogheelkunde.’

 

Dan het verschil tussen een lichtlaser en een atoomlaser. ‘Atoomlasers hebben, zoals de naam al suggereert dezelfde eigenschappen als lichtlasers maar bestaan uit atomen in plaats van fotonen. Ze zijn daardoor veel intenser en hebben een smallere straal dan lichtlasers. Je kunt er nog nauwkeurigere metingen mee doen, met een resolutie ter grootte van een atoom.’

 

Supernauwkeurig

Wetenschappers verwachten heel veel nieuwe toepassingen voor atoomlasers, zoals supernauwkeurige klokken, die dan weer telefoonnetwerken, elektriciteitsnetwerken of gps kunnen verbeteren. In de natuurkunde kun je er bovendien heel precies zwaartekrachtsgolven mee meten, mits ze lang in stand kunnen blijven.

Rodrigo González Escudero

En dat kon vooralsnog niet. Wetenschappers waren tot nog toe alleen in staat om korte pulsen van een atoomlaser te produceren. En dat was al niet eenvoudig. Om een atoomlaser te maken moeten de atomen eerst afkoelen tot het absolute nulpunt (-273 graden Celsius). ‘Atomen bewegen dan nauwelijks meer,’ legt Escudero uit, ‘maar ze staan ook niet helemaal stil vanwege de kwantummechanische eigenschappen.’

 

Vacuüm

Hoe kouder ze zijn, hoe meer de atomen zich als een golf gaan gedragen. De atomen zijn dan in dezelfde energiestaat en krijgen daardoor dezelfde eigenschappen waardoor ze zich gedragen als één groot ‘superatoom’, oftewel één coherente materiegolf. Dit heet een Bose-Einsteincondensaat (BEC).

‘Op het absolute nulpunt krijgen atomen dezelfde eigenschappen waardoor ze zich gedragen als één groot ‘superatoom’.’

Dat gebeurt in het lab in grote stalen pijpen onder vacuüm. Laserlicht remt de atomen af, waardoor ze afkoelen. Dat klinkt tegenintuïtief omdat we licht met warmte associëren, maar het werkt echt.

 

Atomen toevoegen

Er gaan altijd atomen verloren in een Bose-Einsteincondensaat. Ofwel omdat het vacuüm nooit perfect is en er botsingen ontstaan met andere atomen waardoor ze warm worden. Of omdat de BEC-atomen te dicht bij elkaar komen en een molecuul vormen.

 

Nu laten UvA-natuurkundigen zien hoe ze dat probleem oplossen en de straal continu kunnen maken. ‘Door steeds super koude atomen toe te voegen, compenseren we voor de atomen die verdwijnen’, vertelt Escudero. ‘Dat is een lastig proces, want je wilt het evenwicht van de BEC niet verstoren. Dat is gelukt.’

 

Uitgang maken

Toch is het nog niet helemaal een laser. Escudero: ‘Het lijkt op een laser maar onze atomen planten zich niet voort, want ze zitten in een afgesloten ruimte. De volgende stap is om een uitgang te maken.’

 

De BEC is nodig om de atomen de golfeigenschappen te geven. ‘Wanneer je ze uit de afgesloten ruimte haalt, dan behouden ze hun materiegolven en is het een laser geworden.’

 

Rodrigo González Escudero hoopt op 22 juni 2022 te promoveren op zijn proefschrift ‘Quantum gases are forever: Achieving continuous Bose-Einstein condensation'. De promotie begint om 10.00 en vindt plaats in de Agnietenkapel.

Lees meer over