Het principe
Een verzameling speciaal daarvoor geschikte atomen (kalium, rubidium) laat men bij lage temperatuur ‘zweven’ in een soort magnetisch bekertje. Die atomen worden beschenen met laserbundels. Zoals je weet kan men een laserbundel opvatten als een stroom van fotonen die allemaal dezelfde frequentie en richting van snelheid hebben. De fotonen gedragen zich als deeltjes, ze hebben impuls en kunnen ‘botsen’ tegen atomen
Deel 1
Klik hier om de animatie, die bij dit gedeelte hoort, in een apart venster te openen.
In de eerste animatie zie je een laserapparaat dat fotonen naar links schiet. Als je het vermogen van de laser opvoert (schuif verplaatsen met muis), komen er meer fotonen per seconde uit het apparaat. De fotonen kun je laten botsen tegen een atoom dat naar rechts beweegt (met de muis kun je de laser verschuiven). Als je het atoom blijft bekogelen met fotonen, komt het uiteindelijk tot stilstand. Als je er mee door gaat, beweegt het weer versneld naar links. Uiteraard heeft men het gas heel sterk afgekoeld, zodat de atomen al heel langzaam bewegen. De snelheid van de fotonen is in werkelijkheid de lichtsnelheid, dus de fotonen in de animatie zijn veel te langzaam weergegeven.
Deel 2
Klik hier om de animatie, die bij dit gedeelte hoort, in een apart venster te openen.
In deze animatie merk je dat het afremmen van atomen alleen maar lukt als de fotonen de juiste kleur hebben. Is de kleur verkeerd, dan doen de fotonen niets met het atoom. De botsing tussen een foton en een atoom is geen botsing zoals je van knikkers of kogeltjes gewend bent. Als een foton met de juiste kleur (dus de juiste energie) het atoom treft, wordt het foton geabsorbeerd en raakt het atoom in een aangeslagen toestand. Wat volgt er uit het behoud van impuls? Door dit proces is de snelheid van het atoom verminderd.
Het atoom zal daarna weer terugvallen naar de oorspronkelijke toestand en het foton in een willekeurige richting uitzenden. Door het wegslingeren van het foton krijgt het atoom er weer een beetje snelheid bij (terugstooteffect), maar die snelheid is meestal in een andere richting. Je kunt dan narekenen dat meestal de totale snelheid van het atoom uiteindelijk toch minder is geworden.
Deel 3
Klik hier om de animatie, die bij dit gedeelte hoort, in een apart venster te openen.
Met de eerdere animaties heb je kunnen zien dat door een soort botsing van fotonen tegen atomen, de atomen afgeremd worden. En dat kan dus alleen maar als de laser de juiste kleur heeft en de fotonen de juiste energie hebben.
Verder zie je in de eerste animatie (deel 1) dat je door botsingen het atoom wel kunt afremmen, maar als die botsingen blijven aanhouden, gaat het atoom naar links bewegen en krijgt het er steeds meer snelheid bij. Dan is dus alles voor niks geweest. Juist hier komt het Dopplereffect om de hoek kijken.
De grote truc is dat men zorgt dat de frequentie van de laser net een beetje te laag is om atomen in aangeslagen toestand te brengen. Als een atoom stilstaat of naar links beweegt, is de frequentie verkeerd en gebeurt er niets met het atoom. Als het atoom met een bepaalde snelheid naar rechts beweegt, dus naar de bron toe, is door het Dopplereffect de ‘waargenomen’ frequentie hoger. De fotonen hebben dan wel de goede energie. Je bereikt ermee dat alleen atomen met een bepaalde snelheid naar rechts afgeremd worden. Naarmate de atomen langzamer gaan, moet je de frequentie van de laser weer een klein beetje opvoeren, zodat ook de langzamere atomen de goede frequentie krijgen. (Helaas is dat in de animatie niet goed weergegeven; het lijkt alsof de frequentie moet verlagen in plaats van verhogen)
Probeer met de animatie van deel 3 een aantal atomen stil te zetten. Begin met een iets te lage frequentie en verschuif daarna de frequentie een beetje.
Optische stroop
Hierboven zie je hoe men met 6 laserbundels een hoeveelheid rubidiumatomen koelt. De groene magneetspoelen zorgen voor een magnetisch bekertje, zodat de atomen niet op de grond vallen. Het rode bolletje in het midden is het gekoelde rubidium. BEC staat voor Bose Einstein Condensatie. Men gebruikt deze vorm van koeling als eerste stap om tot een extreem lage temperatuur (zo’n honderd nanokelvin) te komen. Zo komt het rubidium in een speciale toestand terecht waarbij de atomen allemaal praktisch in elkaar gaan zitten en één atomaire klont vormen.
Klik hier om de animatie, die bij dit gedeelte hoort, in een apart venster te openen.
Het effect van de koeling kun je zien in de hier geopende animatie.
Stel de kleur van het licht zó in dat het een ‘optische stroop’ vormt. Een optische stroop die de atomen sterk afremt en in het centrum bijeenhoudt.
Laserkoeling is een belangrijke stap naar het bereiken van lage temperaturen. Als het goed wordt toegepast, kun je er temperaturen mee bereiken tot enige tientallen mikrokelvin.
Door daarna op listige wijze de snelste atomen te laten ontsnappen (de langzame blijven dan achter), kun je de temperatuur verder verlagen. Zo komt de Bose Einstein Condensatie in zicht.
