|
| |
Randy Newman wees er met zijn ironische getinte hit Short People al op: wie het kleine niet eert, is het grote niet weert. Zijn land- en naamgenoot Randy Hulet verdiepte zich ook in het kleine: zijn bijdrage aan de wetenschap heeft exact de grootte van een druppel die de liederlijke naam Bose-Einstein-condensaat draagt. De druppel brengt de wetenschap dichter bij haar heilige graal van de quantummechanica: de quantumcomputer.
- Rinze Benedictus -
In 1925 voorspelde Albert Einstein het bestaan er al van, maar pas in 1995 slaagden vier Amerikaanse onderzoekers er in het exotische verschijnsel in het laboratorium te maken: het Bose-Einstein-condensaat. Vorig jaar kregen drie wetenschappers voor die prestatie de Nobelprijs voor de Natuurkunde. Fysicus Randy Hulet (1956) van Rice University in Houston, een van de pioniers van het onderzoek, viel net niet in de prijzen. Deze week ontvangt hij voor zijn werk wel een eredoctoraat van de Universiteit Utrecht. Prof. dr. ir. Henk Stoof en prof. dr. Peter van der Straten reiken als erepromotoren de bul uit.
Het Bose-Einstein-condensaat is een ijskoude druppel die zich gedraagt volgens de quantummechanica. Door dit soort druppels kunnen we in de toekomst wellicht beschikken over een supernauwkeurige klok, een atoomlaser en een quantumcomputer.
Een nieuwe atoomklok zou door zijn super nauwkeurigheid het wereldwijde positioneringssysteem GPS verbeteren. Met een atoomlaser is het mogelijk zeer fijne structuren aan te brengen op een ondergrond, belangrijk voor het maken van almaar kleinere computerchips. En dan de quantumcomputer, de heilige graal van de quantummechanica. Via het Bose-Einstein-condensaat komt het manipuleren van individuele atomen binnen handbereik.
En hier wil Utrecht haar steentje bijdragen. Samen met experimenteel fysicus Peter van der Straten wil theoreticus Henk Stoof in Utrecht Bose-Einstein-condensaten maken, "binnen een jaar, als het meezit". En van de doelen is het maken van een quantumgeheugen door losse atomen met lasers te besturen. "Dat zou geweldig zijn", zegt Stoof. "Want de rechtstreekste confrontatie tussen theorie en experiment stimuleert enorm."
Hoogleraar theoretische fysica Stoof heeft zo'n tien jaar met Hulet samen gewerkt en legt uit wat er zo bijzonder is aan deze druppel. De druppel ontstaat als een wolkje van miljoenen atomen afgekoeld wordt tot net boven het absolute nulpunt waardoor in het midden een druppel ontstaat van atomen die zich allemaal hetzelfde gedragen. Deze - met het blote oog zichtbare - druppel heeft bijzondere eigenschappen, hij is bijvoorbeeld supervloeibaar. Een voorwerpje dat er doorheen beweegt, ondervindt geen wrijving.
Het maken van zo'n condensaat is extreem ingewikkeld vanwege de benodigde lage temperatuur van bijna min 273 graden Celsius. Met koelmachines is het mogelijk het absolute nulpunt dicht te naderen, maar de wanden van die apparaten zijn nog altijd veel te warm. Onderzoekers lossen dat op door de gaswolk in een 'magnetische valkuil' op te sluiten. Sterke magneetvelden houden het gas op zijn plaats zonder dat er een 'fysieke doos' aan te pas komt.
Maar dan is het gas nog niet koud genoeg. Dat lukt pas via 'verdampingskoeling'. "Dat werkt op dezelfde manier als het koelen van een kop koffie", zegt Stoof. "De 'hete' moleculen daarin bewegen het hardst en springen het hoogst uit de koffie omhoog. Door er overheen te blazen, blaas je de heetste moleculen weg en koelt de koffie af." Door van de magnetisch gevangen atomen de snelst bewegende te laten ontsnappen, koelt het gas ver genoeg af voor een Bose-Einstein-condensaat.
Dat het maken van zo'n condensaat geen sinecure is, blijkt ook uit de snelheid waarmee wetenschappers het onder de knie krijgen. "Nadat in 1995 vier onderzoekers het konden, duurde het maar liefst twee jaar voor ook andere wetenschappers erin slaagden. En dat waren niet bepaald de kleine jongens", zegt Stoof.
Alsof het nog niet moeilijk genoeg is, probeert de Amerikaan Hulet de condensaten te maken met atomen die dat eigenlijk niet willen. De deeltjes in de natuur zijn in twee groepen in te delen, de ene categorie 'wil graag bij elkaar zitten' terwijl de andere dat juist niet wil. Met de eerste soort is het makkelijker een quantummechanische druppel te maken dan met de tweede - toch is dat wat Hulet wil.
De wetenschappelijke betekenis van het Bose-Einstein-condensaat schuilt in de relatie tussen theorie en experiment. Van gaswolken die uit losse atomen bestaan, is op microscopisch niveau letterlijk alles bekend. Een theoretische voorspelling over het gedrag van de atomen onder bepaalde omstandigheden is dus direct te toetsen. Stoof: "Als je een theorie opschrijft dan werkt deze of hij werkt niet. Er is geen tussenweg. Dat is iets heel bijzonders. Je hebt een volledig microscopisch begrip van het systeem."