Voor het eerst zijn indiumatomen afgekoeld tot enkele miljoensten van een graad boven het absolute nulpunt. In deze ultrakoude toestand kunnen vreemde quantumverschijnselen optreden.
Natuurkundigen hebben atomen van het zachte, zilverachtige metaal indium tot extreem lage temperaturen afgekoeld. Omdat indium niet lijkt op enig ander element dat zo’n ultrakoude toestand heeft bereikt, verwachten de onderzoekers dat deze atomen verrassende quantumeigenschappen zullen vertonen, zoals het vormen van nieuwe soorten materie.
‘Als nieuwsgierig experimentalist wilde ik iets proberen waarbij je echt niet wist wat er zou gaan gebeuren’, zegt natuurkundige Travis Nicholson van de Duke-universiteit in de Verenigde Staten. Het experiment staat beschreven in een artikel op de website arXiv, waar onderzoek verschijnt nog voordat het door onafhankelijke experts beoordeeld is.
‘Einstein liep als theoreticus vast op de nieuwe bevindingen’
Toen de Nederlandse natuurkundige Heike Kamerlingh Onnes iets geks ontdekte over supergeleiding, was dit onder veel fysici het gesprek van de dag. Maa ...
Rechterkant
Ultrakoude atomen vertonen vaak gedrag dat gewoonlijk alleen op quantumschaal voorkomt. Ze kunnen bijvoorbeeld vloeistoffen vormen die zonder enige stroperigheid voortstromen.
Sinds de jaren 1990 kunnen onderzoekers met ultrakoude atomen nieuwe toestanden van materie onderzoeken en creëren. Ook kunnen ze hiermee extreem nauwkeurige klokken maken en materialen simuleren waarvan het gedrag door quantumeffecten wordt bepaald.
Maar tot nu toe was bij zulke experimenten slechts een klein aantal elementen betrokken, meestal afkomstig uit de eerste twee kolommen van het periodiek systeem. Indium, een metaal aan de rechterkant, heeft heel andere eigenschappen. Daarom zou het compleet nieuwe en onverwachte fenomenen kunnen vertonen.
Experimenteerwerk
Om atomen ultrakoud te maken, moet je ze vertragen. Dat doen onderzoekers meestal door ze te bestoken met laserstralen.
Nicholson en zijn collega’s wisten dat deze methode ook bij indium moest werken. Maar de details van het proces – zoals het creëren van een wolk van indiumatomen en het kiezen van de beste lasers – vereiste veel experimenteerwerk.
‘Als je met strontium of rubidium werkt, zijn er een heleboel proefschriften waarin je precies kunt lezen waar je je lasers vandaan moet halen en hoe je je systeem moet bouwen’, zegt Nicholson. ‘Zoiets hadden wij niet. Dat maakte het moeilijk.’
Oriëntatie
Uiteindelijk wisten de onderzoekers duizenden indiumatomen af te koelen tot slechts 15 miljoensten van een graad boven het absolute nulpunt. Ook konden ze de deeltjes met zorgvuldig afgestemde lasers netjes rangschikken en hun quantumtoestand beheersen. Dit zijn de minimale vereisten voor experimenten met ultrakoude atomen waarbij je bijvoorbeeld wil zien of ze nieuwe fasen van materie vormen, zegt Nicholson.
Wat zulke experimenten precies aan het licht zullen brengen, is nog een open vraag, zegt natuurkundige Michał Tomza van de Universiteit van Warschau in Polen. Zijn team heeft geprobeerd te berekenen hoe twee ultrakoude indiumatomen van elkaar af zullen ketsen. Dat is een bouwsteentje van een uitgebreid model van ultrakoude indiummaterie dat ze nog aan het ontwikkelen zijn.
Natuurkundige Jose D’Incao van de Universiteit van Massachusetts Boston zegt dat ultrakoude indiumatomen op ten minste één geheel nieuwe manier met elkaar reageren. Wanneer twee van zulke atomen dicht bij elkaar komen, hangt de kracht die ze ondervinden af van hun oriëntatie – vergelijkbaar met een magneet die een stuk metaal meer aantrekt wanneer dat object naar rechts is gericht dan wanneer het naar links is gericht. ‘Dit zijn dingen die nog niemand experimenteel heeft onderzocht’, zegt D’Incao. Nicholson en zijn collega’s willen dat ergens in het komende jaar als eersten doen.
