Het botsen van individuele atomen leidt tot een dubbele verandering in het impulsmoment

Professor Widera (rechts) en Felix Schmidt onderzoeken kwantumsystemen. (Foto: Koziel/TUK)

Dank nieuwe technologie is het mogelijk om individuele atomen vast te houden, gericht te bewegen of hun toestand te veranderen. Ook fysici uit Kaiserslautern werken hiermee. In een recente studie hebben zij de gevolgen onderzocht van de botsing tussen twee atomen in een zwak magnetisch veld bij lage temperatuur. Voor het eerst hebben ze waargenomen dat de atomen, die hun draaimoment in zekere zin in afzonderlijke pakketten (kwanta) dragen, hierbij twee pakketten uitwisselen. Ook bleek dat de interactiekracht tussen de atomen daarbij gestuurd kan worden. Interessant, bijvoorbeeld om chemische reacties te bestuderen. Het werk is gepubliceerd in het vakblad Physical Review Letters.

Tot slechts enkele decennia geleden was het voor de wereld van de natuurkunde ondenkbaar om experimenten met afzonderlijke atomaire deeltjes uit te voeren. Erwin Schrödinger, een van de grondleggers van de moderne kwantumtheorie, verwachtte van dit idee "ridderlijke consequenties" en beschouwde het als even waarschijnlijk als het grootbrengen van een Ichtyosaurus-dinosaurier in de dierentuin. Echter, de vooruitgang in laser- en atoomfysica maken tegenwoordig experimenten met individuele atomen mogelijk.

Ook aan de Technische Universiteit Kaiserslautern (TUK) houden fysici onder leiding van professor Artur Widera en zijn promovendus Felix Schmidt zich hiermee bezig. Ze maken gebruik van een zogenaamd Bose-Einstein-condensaat, dat bestaat uit rubidium-atomen. "Dit is in de fysica een toestand van materie die vergelijkbaar is met vloeibare en gasvormige toestanden. Echter, zo'n condensaat is een perfecte kwantummechanische toestand die zich als een golf gedraagt," zegt professor Widera. Het condensaat is vergelijkbaar met een gas dat uit zeer weinig atomen bestaat.

In een recente studie hebben zij samen met professor Eberhard Tiemann van de Gottfried Wilhelm Leibniz Universiteit Hannover onderzocht welke effecten optreden wanneer een enkel cesium-atoom in contact komt met een rubidium-atoom. Om de deeltjes te kunnen observeren, moeten de onderzoekers ze eerst afkoelen tot temperaturen net boven het absolute nulpunt. "Daarna hebben we de atomen met een optische pincet met elkaar in contact gebracht," zegt Felix Schmidt. Hierbij worden atomen met behulp van laserstralen vastgehouden. De onderzoekers hebben nu een enkel cesium-atoom in het rubidiumgas gebracht om te meten wat er vóór en na de botsing gebeurt.

De fysici hebben waargenomen hoe de deeltjes tijdens de botsing hun draaimoment veranderen door de toestand van het individuele cesium-atoom vóór en na de botsing te meten. Het draaimoment van de deeltjes ligt bij atomen in zekere zin in afzonderlijke pakketten — zogenaamde elementaire kwanta. De onderzoekers hebben nu gezien dat de atomen bij een enkele botsing tegelijk twee van zulke draaimoment-kwanta kunnen uitwisselen. Tot nu toe was alleen de uitwisseling van één pakket (kwant) waargenomen. "Dit is alleen mogelijk omdat we het experiment in een laag magnetisch veld hebben uitgevoerd," zegt Schmidt. Op deze manier is de energie van de atomen zo laag dat vooral de interactie tussen de bouwstenen van beide deeltjes het resultaat van de botsing bepaalt. "Daardoor is het mogelijk dat er tegelijkertijd twee zogenaamde elementaire kwanta worden overgedragen, dus een dubbele verandering in het draaimoment," vervolgt de fysicus.

Daarnaast hebben de wetenschappers een ander effect waargenomen. "Het zwakke magnetische veld en de lage bewegingsenergie zorgen ervoor dat de atomen zelfs op een afstand van duizend keer groter dan de atomen zelf met elkaar in wisselwerking staan," vervolgt Schmidt. Als je de sterkte van het magnetisch veld gericht aanpast, zou je ook dit effect kunnen sturen. Het effect staat in directe relatie tot een zeer grote en heel zwak gebonden molecuultoestand tussen beide deeltjes. "Indirekt konden we zo een enorm molecuul van ongeveer twee micrometer groot waarnemen," zegt Schmidt.

Deze kennis over de interactie tussen deeltjes bij zeer lage energieën kan bijvoorbeeld helpen bij het bestuderen van bindingen in moleculen. Ze bestaan uit minstens twee atomen die via wisselwerkingen met elkaar verbonden zijn. Daarmee zou het onder andere mogelijk zijn om zeer grote moleculen te prepareren en te onderzoeken.

De studie is gepubliceerd in het gerenommeerde vakblad Physical Review Letters: "Tailored single-atom collisions at ultra-low energies."
DOI: 10.1103/PhysRevLett.122.013401
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.013401

Vragen beantwoorden:

Prof. Dr. Artur Widera
Lehrgebiet Individual Quantum Systems
E-mail: widera(at)physik.uni-kl.de
Tel.: 0631 205-4130

Felix Schmidt
E-mail: schmidtf(at)physik.uni-kl.de
Tel.: 0631 205-5272

De TU Kaiserslautern

De TU Kaiserslautern is de enige technisch-engineerwetenschappelijke universiteit in Rijnland-Palts. Toekomstgerichte opleidingen, een praktijkgerichte opleiding en een moderne infrastructuur vormen de randvoorwaarden die studenten op de campusuniversiteit aantreffen. De TU Kaiserslautern is bekroond met de Excellente Onderwijsprijs in de landelijke competitie "Exzellente Lehre" voor haar studie- en onderwijsprogramma's. Hiermee onderstreept de TU het hoge belang dat zij hecht aan haar opleidingsaanbod. Daarnaast profiteren studenten en wetenschappers van de vele internationaal gerenommeerde onderzoeksinstellingen die nauw samenwerken met de TU Kaiserslautern op het gebied van toegepast onderzoek.