Een laser voor materiegolven

Robert J.C. Spreeuw

Licht als koelmachine

Licht is een vorm van energie en daarom kunnen we er dingen mee opwarmen. Als we bijvoorbeeld in het volle zonlicht staan, voelt dat (meestal) aangenaam warm aan, omdat onze huid het geabsorbeerde zonlicht omzet in warmte. Dat we met licht iets kunnen opwarmen, zien we ook als de laser wordt gebruikt als las- of snijbrander, of als chirurgisch mes. De laser is in zo'n geval niets anders dan een lichtbron, zij het een nogal speciale. Als we het licht van een laser vergelijken met dezelfde hoeveelheid licht van een lamp, blijkt het laserlicht van superieure kwaliteit te zijn. Deze kwaliteit wordt aangeduid met vaktermen als "coherentie" en "helderheid".

De hoge helderheid van laserlicht maakt het mogelijk om veel licht op een klein oppervlak te concentreren. Dit maakt het bijvoorbeeld mogelijk om een smalle, intense bundel te maken waarmee je kunt lassen. Met een hoge mate van coherentie bedoelen we dat het licht bijzonder zuiver van kleur is, dat wil zeggen dat het licht een zeer scherp bepaalde golflengte heeft. Coherentie biedt geheel andere mogelijkheden, waarvan sommige met recht verbazingwekkend mogen worden genoemd.

Als we iets beschijnen met laserlicht, verwachten we in eerste instantie dat het opwarmt en niet dat het afkoelt. Gegeven dat licht een vorm van energie is, ligt het immers voor de hand dat we er dingen mee kunnen opwarmen. Toch is het wel degelijk mogelijk om te koelen met behulp van lasers! Sterker nog: door laserlicht in te stralen op een damp (gas) van atomen kunnen extreem lage temperaturen worden bereikt, veel lager dan met conventionele koelmethoden. Dit is een gevolg van de bovengenoemde "coherentie" van het laserlicht. De technieken van het "laserkoelen" van atomaire gassen zijn vooral in de jaren '80 ontwikkeld en hebben de atoomfysica op revolutionaire wijze veranderd. In 1997 werd de Nobelprijs voor de natuurkunde toegekend aan S. Chu, C. Cohen-Tannoudji en W. Phillips voor hun baanbrekende werk op dit gebied.

 De kracht van licht

Om een damp van atomen te kunnen afkoelen, moet het licht krachten kunnen uitoefenen op de atomen. Tenslotte is koelen niets anders dan het onttrekken van energie, die in een gas vrijwel volledig bestaat uit kinetische energie (bewegingsenergie). De atomen in een gas bewegen kris-kras door elkaar, met een kinetische energie die evenredig is met de temperatuur. Aangezien koelen dus afremmen impliceert, is daarvoor een kracht vereist.

De reden dat licht een kracht kan uitoefenen, is dat licht ook impuls draagt. Als we nogmaals in de zon gaan staan, absorberen we behalve de energie tevens de impuls die in het licht aanwezig was. Het gevolg is dat het zonlicht ons achteruit duwt! Deze kracht is echter zo zwak dat we het niet kunnen voelen. Om zich enige voorstelling van de kracht te maken, zou u een (vierkant) papiersnippertje ter grootte van 1 mm kunnen uitknippen. Het gewicht van de snipper op uw huid is ongeveer gelijk aan de kracht waarmee u door het volle zonlicht wordt weggeduwd. Hoewel deze zogenaamde stralingsdruk in het dagelijkse leven dus zeer zwak is, kunnen lichtkrachten onder geschikte omstandigheden spectaculaire vormen aannemen.

Voor een atoom dat zich in een laserbundel bevindt, kan de lichtkracht ruwweg 10.000 maal sterker worden dan de zwaartekracht. Een atoom kan daarom zeer snel worden afgeremd. Rubidiumatomen hebben bijvoorbeeld bij kamertemperatuur een thermische snelheid van enkele honderden meters per seconde, ofwel ongeveer de kruissnelheid van een verkeersvliegtuig. Met behulp van lasers is het mogelijk de atomen vrijwel stil te zetten, met een "remweg" van nog geen meter! Daarbij daalt de temperatuur met een factor 108.

 Optische stroop

Omdat de atomen kris-kras door elkaar bewegen, is het noodzakelijk dat de afremkracht voor ieder individueel atoom tegengesteld gericht is aan de bewegingsrichting. Dit wordt meestal bereikt door een combinatie van zes kruisende laserbundels, ÚÚn uit elke richting van een denkbeeldig xyz assenkruis. Omdat de atomen worden afgeremd, ongeacht in welke richting ze bewegen, spreekt men van "optische stroop". Het licht zorgt ervoor dat het lijkt alsof de atomen door een stroperige vloeistof voortbewegen. Optische stroop wordt meestal gecombineerd met twee tegengesteld gerichte magneetspoelen. Naast de afremmende, "stroperige" kracht ontstaat dan bovendien een kracht die gericht is naar het punt midden tussen de spoelen. Dit wordt een magneto-optische val (MOT) genoemd.

Ter illustratie toont figuur 1 een detailopname van de opstelling die ik als Akademie-onderzoeker aan de Universiteit van Amsterdam heb opgebouwd. De foto toont een glazen cuvet, die het hart van het experiment vormt. Binnen de cuvet heerst ultrahoogvacuŘm om de verstorende invloed van botsingen met achtergrondgas te onderdrukken. Rondom het cuvet zijn enkele optische houders te zien die het mogelijk maken om laserbundels uit verschillende richtingen in het cuvet te laten kruisen. De houders die het dichtst tegen het glas aan staan, bevatten de magneetspoelen voor de MOT. Deze MOT verzamelt atomen uit de achtergrond van rubidiumdamp. Het resultaat is een klein wolkje (1 mm) van ongeveer 10 miljoen extreem koude atomen (enkele microkelvin), zwevend in het kruispunt van zes laserbundels.

Figuur 1:

Opstelling (detailopname) voor een magneto-optische val (MOT). De glazen cuvet bevat zeer verdunde rubidiumdamp. De zwarte houders die dicht tegen het glas aan staan, bevatten magneetspoelen en zijn voorzien van slangen voor waterkoeling. Verder zichtbaar zijn de zwarte optische houders die het mogelijk maken zes laserbundels in de cuvet te laten kruisen. Het gaatjespatroon in de tafel is een 25 mm raster.

 Deeltjes versus golven

Zoals gezegd hebben de technieken van het "laserkoelen" van atomaire gassen de atoomfysica op revolutionaire wijze veranderd. Een van de belangrijkste redenen is dat we bij de bereikte extreem lage temperaturen een regime betreden waar de wetten van de quantummechanica zich doen gelden. Een atoom kan niet langer worden beschouwd als een minuscuul knikkertje, maar krijgt tevens golfeigenschappen. In de quantummechanica noemen we dit de "golf-deeltje dualiteit". Bij afnemende temperatuur maakt het deeltjeskarakter van de atomen ("knikkertjes") geleidelijk plaats maken voor steeds meer golfkarakter.

Een typische golfeigenschap is bijvoorbeeld ruimtelijke uitgebreidheid. Volgens de onscherpterelatie van Heisenberg geldt dat hoe scherper de snelheid vastligt, des te minder scherp de positie vast kan liggen. Nu is het zo dat naarmate de atomen kouder zijn, hun snelheid steeds scherper vast ligt, namelijk steeds dichter bij nul. De positie-onscherpte moet dus automatisch steeds groter worden. We zouden ons het atoom kunnen voorstellen als een diffuus vlekje. Het atoom wordt als het ware in de ruimte uitgesmeerd. Als de temperatuur maar voldoende verlaagd wordt, zullen uiteindelijk de vlekjes gaan overlappen en zijn de atomen niet meer van elkaar te onderscheiden. Dit geeft aanleiding tot een spectaculair verschijnsel van zuiver quantummechanische aard, Bose-Einstein condensatie genaamd. Dit is in 1995 voor het eerst door drie Amerikaanse groepen waargenomen, na jarenlang als een heilige graal te zijn nagejaagd.

 Optica met atoomgolven

Het golfkarakter van de atomen, dat zich dus vooral bij lage temperatuur manifesteert, ligt ten grondslag aan het nieuwe vakgebied van de "atoomoptica". Het manipuleren van de atomaire beweging is hierbij al lang niet meer beperkt tot het koelen. Het scala aan technieken is inmiddels uitgebreid met steeds subtielere manipulaties. Zoals in de gewone lichtoptica lichtgolven worden gemanipuleerd met behulp van lenzen, spiegels, etc., zo worden in de atoomoptica atoomgolven gemanipuleerd met atoomlenzen, -spiegels, etc. Waar gewone lenzen en spiegels bestaan uit materie, bv. glas, bestaan grappig genoeg de lenzen en spiegels in de atoomoptica vaak uit licht. Licht kan immers de beweging van atomen be´nvloeden. Deze verwisseling van de rollen van licht en materie vormt een Leitmotiv in de atoomoptica.

Aan de Universiteit van Amsterdam werken wij aan een project waarbij deze rolverwisseling extreem ver wordt doorgevoerd. In de lichtoptica wordt de ultieme lichtbron gevormd door de laser. Het licht van een laser verkrijgt zijn superieure eigenschappen door de manier waarop het wordt gegenereerd, namelijk door een lichtgolf te versterken die tussen spiegels heen en weer kaatst. Na verwisseling van rollen zouden we dan materiegolven moeten kunnen versterken en op analoge wijze een "atoomlaser" realiseren. De beoogde atoomlaser lijkt in sommige opzichten op het eerder genoemde Bose-Einstein condensaat, maar komt tot stand via geheel andere fysische processen.

 Atoomlaser

De geplande atoomlaser is schematisch weergegeven in figuur 2. De MOT fungeert hier als een bron van koude atomen. De eerste stap is daarom dat de MOT wordt gevuld met koude atomen. Vervolgens worden de koelende laserbundels uitgeschakeld, waardoor de atomen plotseling vrij zijn. Als we bij kamertemperatuur een gaswolkje zouden vrijlaten, zouden de atomen uiteenvliegen en zich onmiddellijk over de cuvet verspreiden. De atomen uit de MOT zijn echter zo koud, en dus langzaam, dat ze onder invloed van de zwaartekracht naar beneden vallen als een handvol grind. Na een val van ongeveer 5 mm komen de atomen bij het oppervlak van een prisma. Aan de binnenkant hiervan reflecteert een intense laserbundel, de zogenaamde "bouncing laser", die zorgt voor een afstotende kracht als de atomen het oppervlak naderen. De vallende atomen remmen daardoor af, keren vlak boven het oppervlak van richting om en stuiteren weer omhoog. Om deze reden wordt deze opstelling wel een atomaire trampoline genoemd, of meer proza´sch, een atoomspiegel. Het stuiteren van atomen is door verscheidene andere groepen gedemonstreerd en is kort geleden ook door ons waargenomen.

Figuur 2:

Schematische voorstelling van de atoomlaser in aanbouw. Koude atomen uit een MOT vallen op een prisma. Vlak bij het oppervlak worden ze tot staan gebracht door de "bouncing laser" en vervolgens door de "trapping laser" vastgehouden in een dun laagje vlak boven het oppervlak.

Voor de atoomlaser is een van de vervolgstappen dat we de stuiterbeweging onderbreken, precies in het punt waar de atomen van richting omkeren, dus vlak boven het oppervlak. Dit gebeurt doordat de atomen via een optische overgang in een andere interne toestand gebracht worden. Op atomen in deze nieuwe toestand heeft de afstotende trampolinekracht geen vat meer. Daarentegen is in de nieuwe toestand wel een andere kracht werkzaam, veroorzaakt door een andere laser, de "trapping laser". Deze wordt gevormd door een laserbundel die van bovenaf aan het glasoppervlak reflecteert. Door interferentie ontstaat een staande lichtgolf van alternerend lichte en donkere vlakken, evenwijdig aan het glasoppervlak. De atomen kunnen nu gevangen worden in een donker vlak, tussen twee vlakken van licht. Deze lichtvlakken vormen als het ware de "spiegels" waartussen de atomen worden opgesloten, zoals in een conventionele laser het licht heen en weer kaatst tussen twee spiegels. In ons geval worden juist de spiegels gevormd door (hoe kan het ook anders) laserlicht.

Uiteindelijk moeten de opgesloten atomen een materiegolf vormen die zichzelf gaat versterken, analoog aan de manier waarop de lichtgolf in een optische laser versterkt wordt. Hiertoe moet de aanvoersnelheid van atomen (uit de MOT) voldoende hoog zijn en tegelijkertijd de snelheid waarmee de gevangen atomen verloren raken, voldoende laag zijn. De combinatie van deze twee eisen heet in jargon dat de (atoom)laser boven zijn drempel uit moet komen.

De conventionele, optische laser is nu, bijna 40 jaar na zijn uitvinding, wijd verbreid in onze samenleving. De eerder genoemde toepassingen zijn er slechts enkele uit een lange lijst. Het meest van invloed op het dagelijkse leven zijn vermoedelijk de barcode scanner in de supermarkt en de uitleeskop van de CD speler. Op dit moment is (nog) niet te verwachten dat de atoomlaser even ver zal oprukken in ons dagelijkse leven. Zo zal bijvoorbeeld de bundel van een atoomlaser zich niet door de lucht kunnen voortplanten, maar slechts binnen vacuŘm. Anderzijds mag niet vergeten worden dat in 1960, toen de optische laser werd uitgevonden, er nog geen toepassingen waren voor de nieuwe vinding. In dit stadium richten wij ons in eerste instantie op de analogie tussen de optische en de atoomlaser, in overeenstemming met het Leitmotiv van rolverwisseling in de atoomoptica.