jj pFTTF
14.2
Botsende supervloeibare gassen
door Tobias Tiecke
Mijn afstudeerscriptie voor Experimentele Natuur
kunde aan de Universiteit van Amsterdam
bestond uit twee delen, een technisch deel over
een uiterst precieze stabilisatie van een laser en
een meer fundamenteel deel over de bestudering
van Bose-Einstein-condensaten. Dit laatste
spreekt het meest tot de verbeelding en daarom
zal dit artikel verder daarover gaan. De scriptie
was een verslag van het werk gedaan in de groep
van Jook Walraven die gevestigd was op het fom-
lnstituut voor Atoom- en Molecuul-fysica (amolf)
te Amsterdam.
lc
Een Bose-Einstein-condensaat is een benaming van
een bepaalde toestand waar een stof zich in
kan bevinden, ledereen kent de drie toestanden ln
van materie zoals deze hier op aarde voorkomen:
vast, vloeibaar en gasvormig. Er bestaat nog een
toestand (die niet vrij op aarde voorkomt) waar
een stof zich in kan bevinden: een supervloeibare
toestand, genaamd een Bose-Einstein-condensaat.
Deze toestand is vernoemd naar Bose en Einstein
omdat zij begin 1900 deze toestand voorspeld
hebben. Sinds 1995 kunnen deze condensaten in
laboratoria gemaakt worden en deze ontdekking
door drie Amerikaanse wetenschappers is in 2001
met de Nobelprijs beloond.
Om een voorstelling te krijgen wat deze toestand
precies inhoudt zijn er twee aspecten uit de
kwantummechanica nodig. Volgens de 'klassieke'
natuurkunde stellen we ons de (sub)atomaire
deeltjes voor als puntdeeltjes die zich gedragen
als harde bollen (zie figuur 5,1a). De kwantum
mechanica leert ons echter dat op hele kleine
schaal (atomair niveau en kleiner) deeltjes geen
puntdeeltjes meer zijn, maar kansverdelingen: de
kans is groot om het deeltje op een bepaalde
plek te vinden, maar er is ook een redelijke kans
om dit deeltje net ernaast te vinden (figuur 5,1b).
Het tweede aspect uit de kwantummechanica is
de onzekerheidsrelatie van Heisenberg. Deze rela
tie leert ons dat als een waarnemer de plaats van
een deeltje heel nauwkeurig weet, hij fundamen
teel gezien de snelheid niet ook nauwkeurig kan
bepalen en vice versa. Als de deeltjes afgekoeld
worden, komt hun snelheid steeds dichterbij nul
en is dus steeds nauwkeuriger bepaald (de tem
peratuur van een stof is tenslotte niks anders dan
de snelheid waarmee de deeltjes bewegen). Als
gevolg hiervan wordt de plaats waar de deeltjes
zijn dus minder goed bepaald. Als de deeltjes
vervolgens ook nog dicht op elkaar gedrukt
worden gaan de kansverdelingen, van de eerst
nog onderscheidbare deeltjes, overlappen totdat
er geen onderscheid meer gemaakt kan worden
tussen deze deeltjes (figuur 5,1c). Hier treedt er
een overgang op naar één grote kansverdeling van
alle deeltjes. Dit noemen we een Bose-Einstein-
condensaat. Belangrijk hierbij op te merken is
dat de deeltjes dus niet met elkaar binden, zoals
bijvoorbeeld in een metaal, maar dat er funda
menteel gezien geen onderscheid meer te maken
is tussen de deeltjes. De grote kansverdeling die
er ontstaan is, gedraagt zich exact hetzelfde als
één kleine kansverdeling van één atoom, maar is
door haar grootte experimenteel waarneembaar.
Dit levert een fantastisch testbed om de kwan
tummechanica te kunnen testen.
mijn scriptie staat beschreven hoe we een con
densaat in tweeën splitsen en vervolgens de
twee nieuwe kleinere condensaten met elkaar in
botsing brengen. De condensaten die we maak
ten bestonden uit een atomair gas dat we in
een magneetveld gevangen hielden en mani
puleerden. Vermeldenswaard is dat deze manier
van atomen vangen gebaseerd is op het Zeeman
effect waar Pieter Zeeman de Nobelprijs voor
heeft gekregen in 1902.
De Zeemanprijs
53
