Hoe absorberen ultrakoude heliumatomen laserlicht?

LaserLaB-natuurkundigen Remy Notermans, Bob Rengelink en Wim Vassen onderzochten het absorptiegedrag van de twee isotopen helium-3 en helium-4 nabij het absolute nulpunt.

11/25/2016 | 2:25 PM

Ze laten zien dat dit gedrag enorm verschilt tussen beide isotopen omdat die bij lage temperaturen fundamenteel andere kwantumgassen vormen. De onderzoeksgroep van Wim Vassen publiceerde dit in het artikel ‘Comparison of spectral linewidths for quantum degenerate bosons and fermions’ op 18 november in Physical Review Letters, het belangrijkste tijdschrift voor natuurkundigen.

“We hebben zeer precies gemeten hoe ultrakoude heliumatomen laserlicht absorberen”, legt Vassen uit. Het onderzoek is gedaan met twee helium-isotopen: helium-3 en helium-4. De atomen lijken heel erg op elkaar (alleen de atoomkern verschilt), maar bij lage temperaturen (ongeveer 0,2 microKelvin, dat is 200 miljardste van een graad Celsius boven het absolute nulpunt, dat op -273,15 °C ligt) worden het zogenaamde kwantumgassen. Die kwantumgassen vertonen verschillend en exotisch gedrag dat je bij hogere temperaturen niet ziet, zoals supergeleiding/superfluïditeit in het geval van vloeistoffen.

De VU-onderzoekers deden dit onderzoek omdat ze heel nauwkeurig wilden meten op welke golflengte van het laserlicht helium-3 en helium-4 het licht absorberen. Vassen: “Wanneer we eenmaal heel nauwkeurig beide golflengtes kunnen meten, dan kunnen we iets zeggen over de grootte van de kern van beide atomen. Dit is een belangrijke stap richting het oplossen van de ‘proton-size puzzle’,  één van de grote hedendaagse raadsels in de fundamentele natuurkunde.”

Bosonen en fermionen
Alle deeltjes die men in de natuurkunde kent, kunnen onderverdeeld worden in twee groepen: bosonen en fermionen. Bosonen (in dit experiment helium-4 atomen) mogen precies dezelfde kwantum-eigenschappen hebben, fermionen (in dit experiment helium-3 atomen) mogen dit juist niet. In het dagelijkse leven zul je hier weinig van merken, maar bij bijzonder lage temperaturen gaat dit een dominante rol spelen.

Dit verschil in gedrag levert een opmerkelijk verschil op in het absorptiegedrag van beide gassen. Promovendus Remy Notermans: “Zo zien we dat het bereik van golflengtes waarin de heliumatomen het licht kunnen absorberen (we noemen dit de ‘lijnbreedte’, de breedte van een absorptielijn) een factor vijf verschilt, terwijl dit voor normale gassen vrijwel hetzelfde zou moeten zijn.” Dit grote verschil wordt dus volledig veroorzaakt door de verschillende kwantumstatistiek van de gassen.

Notermans: “Dit is een mooi en opmerkelijk resultaat omdat het een tekstboekvoorbeeld is van het fundamentele gedrag van deeltjes. Iedere bachelorstudent Natuurkunde krijgt het verschil tussen bosonen en fermionen wel uitgelegd, maar er zijn niet zo veel experimenten waarin je dit verschil zo mooi zichtbaar kan maken, en al helemaal niet met hetzelfde element.”

De ‘proton size puzzle’
Uit het gemeten verschil in absorptiegolflengte tussen de twee isotopen helium-3 en helium-4, gecombineerd met heel nauwkeurige berekeningen die andere theoretisch natuurkundigen doen, kunnen de VU-onderzoekers bepalen wat het grootteverschil tussen de twee atoomkernen is.

Dit is reeds eerder gedaan in atomair waterstof. Sinds een meting in een exotische variant van waterstof in 2010 blijkt er een heel groot verschil te zitten tussen de nieuw gemeten grootte van het proton en wat men dacht dat de grootte van een proton was. Dit wordt nu ook wel de ‘proton size puzzle’ genoemd, en het vormt tegenwoordig een van de grote raadsels in de fundamentele natuurkunde. De VU-onderzoekers kijken nu naar helium om te zien of daar ook zo’n puzzel is.


De vacuümkamer waarin de atomen gekoeld worden tot nabij het absolute nulpunt, en eromheen de spiegels en lenzen voor de laserbundels die de atomen moeten koelen en invangen.

© Copyright Vrije Universiteit Amsterdam