Fysici ontdekken voor het eerst individuele botsingen van atomen tijdens diffusie

Dr. Michael Hohmann, eerste auteur van de studie (Foto: privé)

De afbeelding toont een vacuümcel, waarmee de fysici hun experimenten uitvoeren. (Foto: AG Widera)

Onder diffusie verstaat het onderzoek een proces waarbij de kleinste deeltjes zich gelijkmatig verspreiden in een gas of vloeistof. Hoewel deze media uit individuele deeltjes bestaan, wordt diffusie als een continu proces waargenomen. Effecten van een enkele botsing tussen deeltjes, de fundamentele bouwsteen van diffusie, zijn tot nu toe niet waargenomen. Voor het eerst konden fysici uit Kaiserslautern en Erlangen de fundamentele stappen bij de diffusie van individuele atomen in een gas observeren en theoretisch beschrijven. De studie werd gepubliceerd in het gerenommeerde vakblad Physical Review Letters.

Al bijna 200 jaar geleden observeerde de Schotse arts en onderzoeker Robert Brown de schommelbeweging van pollen in een vloeistof. Net als stuifmeel verdelen ook kleinste deeltjes, zoals moleculen of atomen, zich in gassen en vloeistoffen. Daarbij botsen de individuele deeltjes op elkaar, waardoor een patroon van zigzagbewegingen ontstaat en de deeltjes van verschillende stoffen zich mengen. Deze schommelbewegingen worden in de wetenschap aangeduid als de „Brownse beweging“, terwijl de verspreiding en menging van verschillende stoffen diffusie wordt genoemd.

„Diffusie is in veel gebieden van groot belang en ligt ten grondslag aan veel transportprocessen, bijvoorbeeld in levende cellen of ook in energiebuffers“, zegt professor dr. Artur Widera, die aan de Technische Universiteit (TU) Kaiserslautern onderzoek doet naar kwantumfysica van individuele atomen en ultrakoude kwantengassen. „Een begrip van diffusieprocessen is daarom in bijna alle gebieden van de levenswetenschappen, van natuurwetenschap tot technologische ontwikkeling, belangrijk.“

Een eenvoudig begrip van diffusie in de wetenschap wordt bereikt wanneer men de individuele botsingen van deeltjes verwaarloost. „In dit verband spreken we ook van een continu medium, waarin bijvoorbeeld een groter deeltje diffundeert“, legt dr. Michael Hohmann uit, hoofdauteur van de studie en wetenschappelijk medewerker bij professor Widera. Een voorbeeld uit het dagelijks leven is mist. Deze kan worden beschouwd als een dergelijk medium, hoewel hij uit kleine, afzonderlijke waterdruppels bestaat.

Voor hun experiment hebben de fysici onder leiding van Widera de omstandigheden aangepast die gelden bij een continu medium: „We hebben voor de diffusie in plaats van grote deeltjes, zoals stuifmeel, individuele atomen gebruikt die bijna dezelfde massa hebben als de atomen van het gas. Daarnaast hebben we een heel koud, dun gas gebruikt om de botsingsfrequentie drastisch te verlagen“, legt Hohmann uit. Voor het eerst hebben de onderzoekers uit Kaiserslautern waargenomen hoe cesiumatomen in een gas van rubidiumatomen bijna bij het absolute nulpunt diffunderen. „Bij deze temperaturen werkt geen koelkast meer. We hebben de atomen in een vacuümopstelling met laserstralen gekoeld en vastgehouden. Hierdoor werd de diffusie zodanig vertraagd dat de afzonderlijke stappen van de diffusie zichtbaar werden“, legt professor Widera uit over de opzet van het experiment.

Voor de theoretische beschrijving van het experiment werden de onderzoekers uit Kaiserslautern ondersteund door hun collega, natuurkundeprofessor dr. Eric Lutz van de Friedrich-Alexander Universiteit Erlangen-Nürnberg (FAU), die de wiskundige modellering mede ontwikkelde. „Met dit nieuwe model kunnen we de beweging van de atomen nu beter beschrijven“, zegt de onderzoeker uit Erlangen.

Ze konden samen aantonen dat het voldoende is om de wrijvingsfactor aan te passen bij de theoretische berekening van het continue model. Op deze manier kunnen ook gevallen worden beschreven waarin het, zoals in het bovengenoemde experiment, niet om een continu medium gaat. Dit is bijvoorbeeld het geval in de dunne luchtlagen van de bovenste atmosfeer, in de interstellaire ruimte of in vacuümtechnologie, wanneer hier aerosolen, een mengsel van zwevende deeltjes, zich verspreiden.

De bevindingen van de onderzoekers kunnen bijvoorbeeld van belang zijn om de verspreiding van aerosolen in de atmosfeer of van gassen in vacuüminstallaties beter te begrijpen.

De uitgevers van het vakblad Physical Review Letters waarderen de studie als een bijzonder interessante en lezenswaardige bijdrage en publiceren deze als Editor's Suggestion: „Individuele traceratomen in een ultrakoud verdund gas.“ DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.118.263401

Aanvullend op de publicatie is er een Engelstalig focusartikel in het online tijdschrift „Physics“: https://physics.aps.org/articles/v10/76