Een paar honderd moleculen zijn in dezelfde quantumtoestand gebracht door ze flink af te koelen. Ze gedragen zich dan als één groot molecuul. Voorheen lukt dit enkel met atomen en losjes aan elkaar gebonden atoomparen.
Wetenschappers hebben honderden moleculen afgekoeld tot een fractie boven het absolute nulpunt (−273,15 graden Celsius), waardoor ze in dezelfde quantumtoestand terechtkwamen. Dit soort systemen zijn zinvol voor fundamenteel natuurkundeonderzoek. Daarnaast kunnen ze ook dienen als bouwstenen voor een quantumcomputer.
Moleculen
De deeltjes vormden een zogeheten bose-einsteincondensaat, een soort materietoestand zoals ook gas, vloeibaar, vast en plasma dat zijn. Om deze toestand te ontketenen, moet je een gas afkoelen tot een extreem lage temperatuur.
Nobelprijswinnaar Anne L’Huillier: 'Het duurde 14 jaar voordat ons idee slaagde'
We spraken Nobelprijswinnaar Anne L’Huillier over haar grootste ontdekking en over haar huidige werk.
Tot nu toe was dit alleen mogelijk met wolkjes van losse atomen en enkele zogeheten Feshbach-moleculen. Dit zijn geen stabiele, stevig gebonden moleculen, maar twee atomen die zwakjes met elkaar verbonden zijn en zo een soort onstabiel molecuul vormen.
‘In 1995 lukte het natuurkundigen voor het eerst atomen zo ver af te koelen dat ze een bose-einsteincondensaat vormden’, zegt chemicus Tijs Karman van de Radboud Universiteit in Nijmegen. ‘Sindsdien fantaseren onderzoekers erover om dat ook te doen met stabiele moleculen.’
Dat is Karman met collega’s van de Amerikaanse Columbia-universiteit nu gelukt. Zij gebruikten daarvoor honderden stabiele moleculen die bestaan uit een natrium- en cesiumatoom. De resultaten verschenen in het wetenschappelijk vakblad Nature.
Simuleren
‘Een van de belangrijkste toepassing van bose-einsteincondensaten is om andere quantumtoestanden te simuleren, zoals het gedrag van elektronen in materialen’, zegt Karman. Om materiaaleigenschappen te kunnen voorspellen, moet je het gedrag van elektronen erin begrijpen. Dit gedrag direct bestuderen is lastig, omdat je de interacties tussen elektronen in een materiaal niet kunt controleren. Dat kan wel met atomen of moleculen in een bose-einsteincondensaat.
De beperking van atomen is dat ze alleen over korte afstanden invloed op elkaar uitoefenen, in tegenstelling tot elektronen. ‘Om elektronen goed te simuleren, moet je ook die langeafstandseffecten meenemen’, zegt Karman. ‘Dat kan met moleculen.’
De natrium-cesiummoleculen zijn namelijk polair. Dat betekent dat ze een positief geladen kant hebben en een negatief geladen kant. Dat zorgt ervoor dat ze over lange afstanden met elkaar wisselwerken. Ze kunnen zogeheten dipolaire verbindingen vormen, die lijken op de verbindingen tussen elektronen. Karman: ‘Zo kunnen we elektronen beter simuleren en dus beter begrijpen.’
Verdampen
Dat het bijna dertig jaar duurde om de stap van atomen naar moleculen te maken, komt doordat het lastig is om moleculen te koelen tot een fractie boven het absolute nulpunt. De onderzoekers losten dat op door eerst natriumatomen en cesiumatomen apart van elkaar af te koelen. Vervolgens combineerden ze de twee soorten atomen heel voorzichtig tot moleculen. Daarbij mocht er nauwelijks bindingsenergie vrijkomen, want dan zouden de moleculen opwarmen.
Vervolgens koelden de moleculen verder af door verdamping. Daarbij zaten de moleculen in een soort val waaruit alleen degene met de meeste energie – en dus de warmste – konden ontsnappen. Die verdampingsstap is niet eenvoudig bij moleculen. Ze kunnen namelijk onderling botsen en daarbij een soort chemische reactie aangaan waardoor het gas minder efficiciënt verdampt.
De onderzoekers ontwikkelden een manier om die botsingen te voorkomen. Dat deden ze door met twee verschillende soorten microgolven de reacties tussen de moleculen te sturen, om zo de botsingen te onderdrukken.
Kristallen en druppels
De onderzoekers konden de moleculen zo ver afkoelen, dat ze een bose-einsteincondensaat vormden met een levensduur van ongeveer twee seconden. In het onderzoeksverslag beschrijven de wetenschappers hoe dat lukte met ongeveer driehonderd moleculen. Inmiddels zitten ze op een paar honderd meer.
Nu ze deze moleculaire bose-einsteincondensaten onder controle hebben, willen de natuurkundigen met de langeafstandseffecten erin gaan spelen om te zoeken naar exotische effecten. ‘We hopen bijvoorbeeld een soort zelforganisatie te gaan zien’, zegt Karman. ‘Daarbij zouden er een soort dipolaire kristallen of druppels kunnen ontstaan in het bose-einsteincondensaat.’
