Op weg naar een continue atomenlaser
2 december 2017
In een gewone laser vormen lichtgolven een zogeheten coherente toestand: als die golven uit de laser komen, trillen ze op exact dezelfde manier, met dezelfde frequentie en dezelfde fase. De quantummechanica leert ons dat de deeltjes waaruit wij bestaan, quarks, elektronen en zelfs hele atomen, ook golf-achtige eigenschappen hebben. Dat leidt tot de vraag of atomen ook in een coherente toestand gebracht kunnen worden. Kunnen we een laser maken die geen licht, maar atomen schijnt?
Theorie en praktijk
Dat het theoretische antwoord op die vraag "ja" is, kan elke natuurkundestudent eenvoudig aantonen. Het zou bovendien erg nuttig zijn om de beschikking te hebben over een dergelijk apparaat: de collectieve trillingen van de atomen zouden bijvoorbeeld gebruikt kunnen worden om ultra-precieze klokken te ijken. Het omzetten van de theorie in een daadwerkelijk functionerend apparaat is echter niet zo eenvoudig als het klinkt. Tot nu toe zijn atomenlasers gemaakt door een straal van atomen te onttrekken aan een zogeheten Bose-Einsteincondensaat, een gaswolk van heel lage temperatuur waarin alle atomen zich in dezelfde quantumgolftoestand bevinden. Het in dezelfde toestand brengen van de atomen lost echter maar een deel van het probleem op. Voor de meeste toepassingen is het nodig dat een atomenlaser onafgebroken kan werken. De echte uitdaging is daarom om de atomen snel genoeg in dezelfde golftoestand te brengen, zodat de atomenlaser een voortdurende aanvoer van deze coherente deeltjes heeft.
Ruimtelijke scheiding
Voor het maken van een Bose-Einsteincondensaat wordt een gas normaalgesproken gekoeld in een aantal stappen - een proces dat tientallen seconden duurt. De straal van de atomenlaser die uit dit gas ontstaat, kan echter maar zo lang bestaan als er atomen in het condensaat zitten, typisch een veel kortere tijd van een fractie van een seconde. Na dat korte moment moet een nieuwe voorraad gemaakt worden, wat opnieuw tientallen seconden duurt, enzovoort.
Schreck en zijn team, postdoc Benjamin Pasquiou en PhD-studenten Shayne Bennetts en Chun-Chia Chen, stellen nu voor om een onafgebroken aanvoer te creëren door de verschillende stadia van afkoeling ruimtelijk te scheiden, in plaats van in de tijd. Elke stap vindt in hun opstelling plaats op een andere plaats: de atomen worden door gewone lasers afgekoeld terwijl ze op weg zijn naar de plek waar de uiteindelijke straal van de atomenlaser wordt gemaakt. Het is het team gelukt om dit te doen door slim gebruik te maken van de speciale eigenschappen van strontium, een element dat precies de juiste elektronenstructuur heeft om langzaam, stap voor stap afgekoeld te worden terwijl het 'onderweg' is.
Missie bijna voltooid
Dankzij hun methodes zijn Schreck en zijn medewerkers er nu in geslaagd om de eerste stappen van het continue koelingsproces te implementeren. Dat heeft al geleid tot een gaswolk die veel kouder en veel dichter is dan in alle voorgaande pogingen. De onderzoekers hebben bovendien laten zien dat hun methode genoeg koude atomen produceert om een continu bestaand Bose-Einsteincondensaat te maken. De laatste stap is natuurlijk om uit dit permanente condensaat een atomenlaser te bouwen - een stap die volgens Schreck binnen een jaar moet kunnen plaatsvinden. Daarmee zou zijn droom uitkomen: een atomenlaser maken die nooit hoeft te stoppen om op te laden.
Referentie
Steady-State Magneto-Optical Trap with 100-Fold Improved Phase-Space Density, S. Bennetts, C.-C. Chen, B. Pasquiou en F. Schreck. Phys. Rev. Lett. 119 (2017), 223202.