Toen de nobelprijswinner Heike Kamerlingh Onnes er in 1908 in slaagde om helium vloeibaar te maken, ging er voor de experimentele natuurkunde een wereld open. Recenter, met name in de afgelopen paar decennia, zijn er weer enorme sprongen gemaakt op het vakgebied van ultrakoude gassen. Zulke ultrakoude gassen zijn uiterst interessante materialen, die typisch quantummechanische eigenschappen kunnen vertonen. Het bekendste voorbeeld is dat van een Bose-Einsteincondensaat, een substantie waarin alle deeltjes in een gas samenkomen in één gezamenlijke ‘golffunctie’. Bose-Einstein condensaten zijn daarmee fundamenteel anders dan normale vloeistoffen of gassen, en kunnen in verschillende technologieën toegepast worden.
De trukendoos van het afkoelen
Het afkoelen van atomen en gassen tot een temperatuur waarbij quantumfenomenen tot uiting komen, is een uitzonderlijk lastige taak – vandaar ook de Nobelprijs in 1908). Gangbare methodes maken gebruik van een scala aan technieken om atomen en gassen zo koud mogelijk te maken en te houden. De theorie hierachter is niet eenvoudig: atoomeigenschappen, lasers en magnetische en elektrische velden werken allemaal samen om een zo koud mogelijk atoom te realiseren. Sommige methodes zullen je misschien bekend voorkomen: zo wordt bijvoorbeeld het Dopplereffect gebruikt. Van andere methodes, zoals Sisyphus-koeling, heb je misschien nog nooit gehoord. Die Sisyphus-koeling is een samenspel van magnetische en elektrische velden waardoor atomen verassend veel meer afkoelen dan oorspronkelijk gedacht. Deze ontdekking was op zichzelf ook weer een nobelprijs waard!
Van koud atoom tot quantumcomputer?
Uiteraard is alleen het afkoelen alleen van een gas of van een atoom niet genoeg. Het is ook belangrijk om daadwerkelijk iets te kunnen doen met het afgekoelde gas. Allereerst: hoe méét je dat een gas waarop je de trukendoos hebt losgelaten ook daadwerkelijk is afgekoeld? Ook dat is nog niet zo eenvoudig. Als je echter zulke stappen hebt kunnen doorlopen, kom je bij het leukste onderdeel: de toepassingen! van de hierboven genoemde Bose-Einsteincondensaten is bijvoorbeeld al een zeer interessant onderwerp. Daarnaast zijn er nog allerlei andere mogelijkheden. Zo kunnen ultrakoude atomen gebruikt worden om andere quantumsystemen te simuleren: door heel precies atomen te configureren kunnen theoretische modellen heel nauwkeurig nagebootst worden. Ook extreem nauwkeurige maken gebruik van heel koude quantumgassen. En ten slotte: ultrakoude atomen kunnen misschien wel ingezet worden als quantumbits waarmee je een echte quantumcomputer kunt bouwen!
Dit artikel is een samenvatting van de artikelserie ‘Ultrakoude Gassen’ op de quantumuniverse website.
Lees meer (externe website)