NATUURKUNDE

Amerikaanse natuurkundigen zijn er voor het eerst in geslaagd een atomaire laser te bouwen: een laser die geen scherpe lichtstraal uitzendt maar een bundel van atomen die allemaal precies dezelfde eigenschappen bezitten.

De atomaire laser biedt perspectieven voor nog preciezere atoomklokken en nog kleinere computerchips, maar voorlopig is het een fysisch huzarenstukje dat zijn kunsten alleen in het laboratorium vertoont. In twee afzonderlijke publicaties berichten de natuurkundigen van het Massachusetts institute of technology hoe ze de atomaire laser creëerden. In het vakblad Physical review letters (27/1) schrijven ze dat hun proefopstelling een atomaire bundel produceerde. In Science (31/1) bewijzen ze dat zo'n bundel de eigenschappen van een laser heeft.

De basis voor deze atomaire laser werd twee jaar geleden gelegd. Toen lukte het onderzoekers van de Universiteit van Colorado om een zogeheten Bose-Einstein-condensaat te maken. Deze exotische toestand van materie, in de jaren twintig door Einstein en de Indiër Bose theoretisch voorspeld, kan worden bereikt bij een temperatuur vlak boven het absolute nulpunt. De atomen zitten extreem dicht op elkaar gepakt, gevangen gehouden in een magnetische 'val'. Ze zijn hun individuele vrijheid kwijt en worden gedwongen om zich allemaal hetzelfde te gedragen. Alsof ze elkaar met denkbeeldige handjes vasthouden.

Dat is een goed startpunt voor een atomaire laser. Want een conventionele laser begint met lichtdeeltjes die in dezelfde toestand verkeren. De gewone laser 'pompt' zijn vermogen 'op' door de lichtdeeltjes tussen twee spiegels op en neer te laten botsen. Eén van de spiegels laat een fractie van het licht naar buiten.

In de atomaire laser speelt het magnetisch veld de rol van de spiegels. De atomen, zelf ook kleine magneetjes, botsen tussen de magneetwanden op en neer. Tenminste, zolang de kleine en grote magneten elkaar afstoten. Met behulp van een tweede magneetveld draaiden de onderzoekers sommige atoommagneetjes om, zodat deze door de magneetwanden werden aangetrokken en naar buiten konden glippen.

Kraan Daarop volgde stap twee: de fysici moesten bewijzen dat deze 'druppelende atoomkraan' zoals ze het zelf noemen, een laserbundel genereerde. Het lag voor de hand dat de atomen ook buiten het Bose-Einstein-condensaat hand-in-hand zouden marcheren, maar het bewijs vergde maanden werk. Uiteindelijk slaagden de onderzoekers erin de bundels van twee druppelende kranen te kruisen en te laten zien dat daarbij dezelfde patronen ontstonden als bij twee kruisende lichtstralen. Dat was voldoende voor het bewijs van de laserwerking.

Een mogelijke toepassing is nog ver weg. Temperaturen vlak boven het absolute nulpunt en een absoluut vacuüm zijn alleen in het laboratorium te realiseren. Bovendien moet een toepasbare atomaire laser een krachtige straal genereren, en niet druppelen als een lekkende kraan.

Maar dat kan de onderzoekers niet deren. Zij zien hun prestatie eerder als 'de ultieme beheersing van atomair gedrag'. Wie denkt dan aan toepasbaarheid. Per slot van rekening, voegen ze daar aan toe, “bij de geboorte van de lichtlasers kon niemand zich indenken dat ze in de jaren negentig in elke supermarkt zouden worden toegepast.”