Fysici aan de UGent zijn erin geslaagd enkele tienduizenden atomen af te koelen tot vlak boven het absolute nulpunt (ongeveer -273°C). Ze creëerden daarmee een zogenaamd Bose-Einstein-condensaat: alle atomen gedragen zich dan perfect hetzelfde, zoals ooit voorspeld door natuurkundigen Einstein en Bose.
Het is 13 december 2021. In de kelder van de S9, op campus Sterre, proberen Karel Van Acoleyen, onderzoeker en docent aan de vakgroep Fysica en Sterrenkunde, en doctoraatsstudente Clara Tanghe, me uit te leggen wat ze er precies doen. In een hoek van het lokaal, afgeschermd door zware gordijnen, staat een optische bank, een soort erg stabiele, zware tafel. Ik verbaas me erover hoe klein de opstelling op de bank is: maar een kwart van de tafel, een vierkante meter ongeveer, wordt gebruikt. In het midden staat een kleine, doorzichtige vacuümcel van zo’n tien centimeter breed, diep en hoog.
Hier gaat het gebeuren, zeggen ze. Het eerste Bose-Einstein-condensaat in België. Een huzarenstukje als ik de onderzoekers mag geloven. Vorige week is Cold Quanta, een gespecialiseerd bedrijf uit Colorado, naar Gent gekomen om te helpen bij het op punt stellen van de opstelling. Ik belde toen nog met Karel. Die avond zou het moeten lukken, zei hij, zouden ze doorgaan tot ze het hadden. Maar het lukte niet.
Hobbelig parcours
Begin maart informeer ik naar een stand van zaken. “Het is op zijn zachtst gezegd al een hobbelig parcours geweest,” schrijft Karel. Ze zijn er nog niet. Op 10 mei krijg ik opnieuw een mailtje: “We hebben de laatste weken serieuze vooruitgang geboekt – en het lijkt erop dat we deze week wel eens ons Bose-Einstein-condensaat zouden kunnen realiseren…” Het wordt uiteindelijk 16 juni. Op die uitzonderlijk warme dag slagen Karel en Clara erin om enkele tienduizenden
Hoewel hij theoretisch natuurkundige is, wilde Karel zich na vele jaren rekenen en programmeren, ook aan experimenteel werk wagen. “Sommige zaken zijn ontzettend moeilijk te berekenen”, zegt hij. “Een verzameling van een paar duizend of tienduizend atomen, elk met een eigen snelheid, positie, enzovoort is op zich al verschrikkelijk complex om te beschrijven. In het regime waar de kwantumfysica belangrijk wordt, is dat zelfs onmogelijk. Als je bijvoorbeeld wil uitrekenen hoe zo’n groep atomen zich gedraagt als je ze uit evenwicht brengt, loop je onmiddellijk vast. Langs experimentele weg kan je zo’n vragen wel beantwoorden. Met die resultaten kunnen we dan de theoretische modellen proberen verfijnen.”
Clara vult aan: “Ik ben altijd al geboeid geweest door de kwantumfysica. De uitbouw van een nieuwe opstelling waarmee we eigen kwantumexperimenten kunnen doen, leek mij dan ook een uitdagend avontuur om als doctoraatsstudent in te stappen.”
Laserkoeling
Dus gingen ze het lab in. Om de atomen af te koelen gebruiken de onderzoekers gesofisticeerde lasers en magneten, waarmee ze hun snelheid afremmen. Hoe trager de atomen, hoe lager de temperatuur: die is immers in essentie een maat voor de snelheid waarmee atomen of moleculen bewegen. De luchtmoleculen die je op dit moment inademt bewegen gemiddeld aan zo’n 600 meter per seconde (2160 km/h), net als de rubidiumatomen uit het experiment voor het koelen begint. In een paar tientallen stappen, nauwgezet geprogrammeerd, remmen Karel en Clara die in tien seconden bruusk af om uiteindelijk tot quasi stilstand te komen. Atomen die niet willen volgen worden weggeblazen en ‘doen niet meer mee’.
Het experiment spreekt tot de verbeelding. Elk van de zes stappen en honderdtal substappen van het koelproces moet precies goed zitten, en je kan niet zomaar het recept van een gelijkaardig experiment overnemen. De juiste parameters voor de verschillende lasers en magneten hangen af van de precieze positie van de verschillende instrumenten, en ook bijvoorbeeld van het aardmagnetisch veld, dat van plaats tot plaats lichtjes verschilt.
Perfect in de pas
Nu ze het recept gevonden hebben om op die specifieke locatie, met die specifieke opstelling een BEC te maken, zoals de onderzoekers hun Bose-Einstein-condensaat liefdevol noemen, is het de bedoeling dat dagelijks te doen. “Het echte werk begint nu pas”, benadrukt Karel.
De atomen in een Bose-Einstein-condensaat gedragen zich niet meer als afzonderlijke entiteiten, maar als één superatoom of kwantumveld. Geen afzonderlijke snelheden, richtingen, enzovoort, maar allemaal perfect in de pas. Verstrengeld, zoals kwantumfysici dat noemen, als waren ze één. Ze vertonen het kwantumgedrag van individuele atomen, maar dan vele malen uitvergroot.
Voorstelling van het Gentse BEC op 17 juni 2022. De opnames tonen de dichtheid van de wolk atomen. Op het linkerbeeld zijn ze nog relatief verspreid. Op het rechterbeeld (het effectieve BEC) blijven de atomen door hun extreem lage snelheid allemaal dicht bij elkaar hangen.
En dat is meteen het grote voordeel van werken met koude atomen: de vreemde fenomenen die fysici kennen uit de kwantumwereld, zoals deeltjes (fotonen, elektronen, …) die elkaar op grote afstand kunnen ‘voelen’ en ‘beïnvloeden’, deeltjes die zich in verschillende toestanden tegelijk bevinden tot je ernaar kijkt (vaak uitgelegd met de beroemde metafoor van Schrödingers kat) of deeltjes die zich door een barrière van A naar B bewegen, worden plots op veel grotere schaal waarneembaar.
In december zag ik het bijna-BEC met eigen ogen als een sigaarvormige wolk van ongeveer een centimeter lang. Het effectieve BEC is wat kleiner – ongeveer een tiende van een millimeter lang – maar zonder al te veel ingewikkelde apparatuur kan je er nog steeds hoge resolutie foto’s van nemen, die dan worden gebruikt om het te analyseren.
“Er zijn drie domeinen waar moderne natuurkundigen de grenzen van onze kennis proberen te verleggen”, legt Karel uit. “In de hoge-energiefysica onderzoeken we de allerkleinste elementaire deeltjes, terwijl we in de kosmologie het allergrootste willen begrijpen. Het derde domein ligt daartussen en is dat van de zogenoemde veeldeeltjessystemen: welke nieuwe fenomenen treden op wanneer je heel veel deeltjes – quarks, elektronen, atomen of moleculen – samenbrengt? Dat is wat we met deze opstelling willen onderzoeken.”
Van zwarte gaten tot zonnepanelen
Fundamenteel onderzoek naar het dynamisch gedrag van kwantumvelden, zo verwoorden de onderzoekers het in hun perstekst. Dergelijke velden vind je in de natuur op verschillende niveau’s, van zwarte gaten tot in de deeltjesversneller van het CERN in Genève. “We kunnen met ons BEC niet enkel iets leren over de fysica van koude atomen, maar ook over exotische fenomenen als de ‘verdamping’ van een zwart gat”, zegt Karel.
Tegelijk kijken beide onderzoekers ook uit naar experimenten die relevant zijn voor het toegepast onderzoek. “Op termijn willen we onze set-up verder ontwikkelen tot een zogenaamde kwantumsimulator. Door de koude atomen heel precies op verschillende manieren met elkaar te laten reageren, kan je andere materialen simuleren. Dat is interessant bij de zoektocht naar nieuwe nuttige materialen, die bijvoorbeeld efficiënter licht in elektriciteit omzetten – nuttig voor betere zonnepanelen – of nagenoeg zonder verlies elektrische stroom geleiden, zogenaamde supergeleiders.”
Gamechanger
Het zijn toepassingen die ik zelf niet vermoed had – in tegenstelling tot bijvoorbeeld een kwantumcomputer, waaraan het BEC-onderzoek ook diensten zou kunnen bewijzen, zo blijkt. Ze doen me denken aan wat professor Frank Verstraete zei, toen hij bij mijn bezoek in december even de kelder binnensprong. Na lange tijd in het buitenland gewerkt te hebben, keerde hij tien jaar geleden via het prestigieuze Odysseusprogramma voor toponderzoekers terug naar ons land. “Iedereen kent Einstein en zijn relativiteitstheorie, maar de kwantummechanica, die in dezelfde periode ontstond, heeft een veel grotere impact gehad”, vertelde Frank toen. “Alle natuurwetenschappen zijn veranderd door de kwantummechanica. De chemie natuurlijk, maar ook de materiaalwetenschap, zelfs de biologie – zo vermoedt men dat bij fotosynthese kwantumprocessen een rol spelen. Dat we ons aan de UGent nu als eersten in België ook in het experimenteel onderzoek storten is erg opwindend, zelfs al zijn er nog tientallen andere groepen in de wereld met deze zaken bezig.”
Sindsdien passeer ik de Sterre, nog meer dan vroeger, met een mix van bewondering – voor de onderzoekers – en verwondering – over de fascinerende wereld waarin wij leven.
Meer weten over Karel en Clara's lab? Bekijk hieronder de video van Universiteit van Vlaanderen over hun experiment!
Lees ook
Ik twijfel, dus ik ben: Philippe Smet
In 'Ik twijfel, dus ik ben' nodigt het GUM wetenschappers uit om in hun hoofd te laten kijken. Ze laten zich hierbij leiden door het 'Rad van de Twijfel'.
